БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИУчебно-методическое пособие

БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ

Учебно-методическое пособие

Рекомендованометодическим советом Уральского федерального университетав качестве учебно-методического пособия для студентов вуза,обучающихся по направлениям подготовки 03.03.02 «Физика»,

27.03.01 «Стандартизация и метрология», 27.03.05 «Инноватика»,28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИУРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

ЕкатеринбургИздательство Уральского университета

2018

Б177Базовые элементы цифровой техники : учеб.-метод. пособие /

[В. Х. Осадченко, Я. Ю. Волкова, А. В. Германенко, П. С. Зеленов-ский ; под общ. ред. Я. Ю. Волковой] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 120 с.

ISBN 978-5-7996-2435-4В пособии последовательно изложены вопросы, относящиеся к элемент-

ной базе цифровой техники. Подробно рассматриваются основы схемотех-ники различных базисных элементов и триггеров, анализируется работа электронных схем. Особое внимание уделено методике создания логических схем с помощью уравнений, связывающих входные и выходные состояния элементов в различных импульсных устройствах.

Пособие предназначено для студентов университетов, не являющихся профильными по специальностям, связанным с электротехникой и элек-троникой. Оно также будет полезно достаточно широкому кругу читателей, заинтересованных в получении знаний по электротехнике и основам ра-диоэлектроники, а также в смежных с ними областях – цифровой технике и робототехнике.

УДК 621.377.6(07)ББК 32.844.1я7

УДК 621.377.6(07)ББК 32.844.1я7 Б177

ISBN 978-5-7996-2435-4 © Уральский федеральный университет, 2018

А в т о р ы:В. Х. Осадченко, Я. Ю. Волкова,

А. В. Германенко, П. С. Зеленовский

Под общей редакцией Я. Ю. Волковой

Р е ц е н з е н т ы:лаборатория полупроводников и полуметаллов

Института физики металлов УрО РАН (заведующий лабораторией доктор физико-математических наук М. В. Якунин);М. С. Каган, доктор физико-математических наук,

заведующий лабораторией неравновесных электронных процессов в полупроводниках Института радиотехники и электроники РАН

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное пособие предназначено для первоначального ознаком-ления с логикой и принципами действия электронных схем, исполь-зуемых в логических и цифровых интегральных микросхемах. Его разделы могут быть полезны в курсах дисциплин «Основы радио-электроники», «Электротехника и электроника», «Электроника и схемотехника».

Особенностью данного пособия является систематичность пред-ставления материала, начиная с основ алгебры логики, ее методиче-ского использования при построении схем цифровой электроники. Проводится достаточно простой, но подробный анализ электри-ческих процессов в широко распространенных схемах логических элемен тов и триггеров. Для большей наглядности импульсных про-цессов в цифровой схемотехнике приводятся зависимости от време-ни всех существенных сигналов в устройствах. Эти процессы студен-ты могут наблюдать в дальнейшем при выполнении предложенных лабораторных работ на стандартном учебном оборудовании.

4

ВВЕДЕНИЕ

Основу цифровой техники составляют логические элементы. К ним относятся элементы, в которых существует определенная логическая связь между входными и выходными сигналами, при-нимающими значения логических ноля или единицы. Связь между сигналами определяется логической функцией. Для ее описания используется математическая логика. Для простоты анализа логиче-ских элементов и для уяснения их функциональных возможностей служат таблицы состояний входных и выходных величин — сиг-налов. По этим таблицам можно построить временны́е диаграммы работы логического элемента.

Всего логических элементов, применяемых в настоящее время в цифровой технике, около тридцати, включая и различные типы триггеров.

Сначала изучим наиболее распространенные из них: И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, 2И-ИЛИ-НЕ, РАВНОЗНАЧНОСЬ, СУММАТОР ПО МОДУЛЮ 2, RS-, D-, T-, JK-триггеры. Изучение логических элементов и триггеров начнем с анализа принципов действия элек-трических схем, выполняющих логические функции. Далее из логи-ческих элементов построим более сложные функциональные элемен-ты, такие как РАВНОЗНАЧНОСЬ, СУММАТОР ПО МОДУЛЮ 2, триггеры.

Все эти цифровые логические элементы широко используются в автоматике, связи, компьютерной технике. Из них же построены современные микропроцессорные устройства, которые можно са-мостоятельно программировать для выполнения функций управ-ления бытовыми приборами в «умных» домах, в технологических процессах в роботизированных конвейерных линиях, в радиосвязи и телекоммуникациях.

6

1. БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТРАНЗИСТОРНО‑ТРАНЗИСТОРНОЙ ЛОГИКИ

1.1. Цифровые интегральные микросхемы (ИМС)

Любое электронное устройство, независимо от назначения и сте-пени сложности, состоит из активных (транзисторы, интегральные микросхемы) и пассивных (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) компонентов.

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой изделие из активных и пассивных элементов и соединительных проводни-ков, выполненное в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла таким образом, что создается определенная электронная схема. Кристалл помещен в корпус для защиты от внешних воздей-ствий (механических, климатических и др.). Характерная особен-ность ИМС — большая плотность упаковки элементов. Наибольшее распространение имеют следующие виды микросхем:

ТТЛ — микросхемы транзисторно-транзисторной логики на би-полярных транзисторах;

ЭСЛ — микросхемы эмиттерно-связанной логики на биполяр-ных транзисторах;

МОП (или, иначе, МДП) — микросхемы на полевых транзисто-рах структуры металл-оксид-полупроводник (их также называют металл-диэлектрик-полупроводник);

7

КМОП — микросхемы с симметричной структурой на полевых транзисторах p- и n-типа.

В устройствах, собираемых из отдельных элементов, основным активным компонентом являются транзисторы, число которых опре-деляет степень сложности схемы. В устройствах на ИМС основными элементами также являются транзисторы, выполненные с помощью нанотехнологий.

Логический элемент (ЛЭ) представляет собой электронное устройство, на входах и выходах которого сигнал может иметь только один из двух дискретных уровней напряжения — низкий и высокий. Эти уровни обычно называют логическим нулем и ло‑гической единицей.

1.2. Логические операции

В основе алгебры логики и схем цифровой техники лежат три основные элементарные операции: И — логическое умножение, или конъюнкция, ИЛИ — логическое сложение, или дизъюнкция, и НЕ — логическое отрицание, или инверсия. Эти три функции совместно позволяют осуществить любую сколь угодно сложную логическую операцию. Это свойство называют функциональной пол‑нотой, а все три логических операции И, ИЛИ, НЕ вместе называют базисными операциями (функциями) или кратко базисом. Базисными операциями являются также логические функции Пирса и Шеффера, на основе которых строятся логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

1.2.1. Логические функции и логические элементы И, ИЛИ, НЕЛогические переменные и логические функции могут принимать

всего два значения — истина и ложь. В цифровой технике этим состояниям приписывают 1 и 0. Единица эквивалентна истине, а ноль эквивалентен ложному значению логических переменных и их функций, что в электронике естественно отразить высоким и низким уровнями напряжения соответственно.

Логическая функция НЕ (инверсия) выполняет операцию логи-ческого отрицания над значением логической переменной. Если

8

значение переменной ложно (эквивалентно нулю), то значением функции будет истина (эквивалентно единице) и, наоборот, если значение логической переменной ноль, то значением логической функции НЕ будет единица.

Логическая формула инверсии имеет вид

Y = X. (1)

Здесь черта над логической переменной означает операцию инверсии логической переменной.

Логический элемент НЕ, осуществляющий эту функцию в циф-ровой технике с помощью электронной схемы, называется инверто‑ром. Он является простейшим элементом с одним входом и одним выходом.

Элемент НЕ изменяет значение напряжения входного логиче-ского сигнала так, что на выходе элемента появляется напряжение с логически противоположным значением, т. е. инвертирует логиче-ское значение входной переменной. Его условное графическое обо-

значение и таблица истинности логической функции НЕ и ин-вертора представлены на рис. 1. Так как вход у этого логического элемента только один, то его таб-лица истинности состоит только из двух строк.

Логическая функция И (конъюнкция) выполняет операцию ло-гического умножения переменных X1, X2, X3, …, Xn. Значение этой функции эквивалентно единице тогда и только тогда, когда все логи-ческие переменные эквивалентны единице. Значение функции И рав-но нулю, если хотя бы одна из логических переменных равна нулю.

Логическая формула конъюнкции для двух логических пере-менных имеет вид

Y = X1 · X2. (2)

Логический элемент И (конъюнктор), электрически выполня-ющий операцию логического умножения, иногда называют схемой совпадения. Напряжение, соответствующее логической единице,

Y1 X Y0 11 0

X

Рис. 1. Условное обозначение и таблица истинности

логического элемента НЕ

9

появляется на его выходе толь-ко при  совпадении значений напряжений, соответствующих единице всех входных логиче-ских переменных. Его условное графическое обозначение и та-блица истинности логической функции И для двух переменных представлена на рис. 2.

Из таблицы истинности следует, что на выходе элемента И бу-дет напряжение высокого уровня (логическая единица) только в одном случае — когда на обоих входах будет напряжение высо-кого уровня.

Логическая функция ИЛИ (дизъюнкция) выполняет операцию логического сложения переменных X1, X2, X3, …, Xn. Значение этой функции эквивалентно нулю тогда и только тогда, когда все логиче-ские переменные эквивалентны нулю. Значение функции ИЛИ рав-но единице если хотя бы одна из логических переменных равна единице. Логическая формула дизъюнкции для двух логических переменных имеет вид

Y = X1 + X2. (3)

Условное графическое изображение двухвходового логического элемента ИЛИ (дизъюнктора), выполняющего операцию логиче-ского сложения двух переменных, и таблица истинности операции ИЛИ показаны на рис. 3.

По таблице истинности мож-но сделать вывод, что на выходе элемента ИЛИ будет напряже-ние высокого уровня (логическая единица), если либо на одном, либо сразу на всех входах будет напряжение высокого уровня.

&X1

X2

Y

X1 X2 Y

0

1

0 0 000

11

1 10

X1

X2

Y

X1 X2 Y

0

1

0 0 01

11 10

1

11

Рис. 2. Графическое обозначение и таблица истинности

двухвходового элемента И

Рис. 3. Графическое обозначение и таблица истинности

двухвходового элемента ИЛИ

10

1.2.2. Базисные логические операции Пирса и Шеффера и логические элементы ИЛИ‑НЕ, И‑НЕ

Сложные логические операции, осуществляемые микросхемами цифровой техники, строятся обычно на основе функциональных базисов, содержащих одну операцию. Таковыми являются операции Пирса (стрелка Пирса) и Шеффера (штрих Шеффера).

Операция Пирса последовательно выполняет сначала функцию логического сложения любого числа логических переменных, а затем инверсию (логическое отрицание) результата сложения. Поэтому эту функцию называют ИЛИ-НЕ.

Логическая формула операции Пирса для двух переменных имеет вид

Y X� �1 2X . (4)

Логический элемент, реализующий эту операцию, может быть построен из базисных элементов ИЛИ и НЕ по схеме (см. рис. 4).

Элемент ИЛИ-НЕ (рис. 4) осуществляет логическое сложение двух цифровых сигналов с инверсией результирующего сигнала.

Условное графическое изображение и таблица истинности двух-входового элемента ИЛИ-НЕ представлены на рис. 5.

Можно доказать базисность (функциональную полноту) элемен-та ИЛИ-НЕ. Логические функции И, ИЛИ, НЕ обладают функцио-нальной полнотой в том смысле, что из них можно построить сколь угодно сложную логическую функцию. Поэтому если мы покажем, что только из элементов ИЛИ-НЕ можно построить систему базовых логических функций И, ИЛИ, НЕ, то тем самым докажем, что эле-мент ИЛИ-НЕ обладает функциональной полнотой. Выполним это

1X1

X2

Y = X1 + X21

Рис. 4. Элемент ИЛИ-НЕ на два входа, построенный в трехэлементном базисе

И, ИЛИ, НЕ

X1

X2

Y

X1 X2 Y

00 0

011

1 10

1 1

00

Рис. 5. Графическое обозначение и таблица истинности элемента

ИЛИ-НЕ

11

с помощью таблиц истинности элементов И, ИЛИ, НЕ, соотношений алгебры логики (см. Прил. 2) и условных графических изображений.

Элемент НЕ может быть получен из ИЛИ-НЕ простым соеди-нением входов, как показано на рис. 6.

Видно, что при таком соединении таблица истинности элемента ИЛИ-НЕ будет эквивалентна таблице истинности инвертора (ср. таблицы рис. 1 и 5). Тогда для получения функции элемента ИЛИ до-статочно к выходу элемента ИЛИ-НЕ присоединить полученный инвертор, что снимет инверсию этого элемента, и в итоге получится элемент ИЛИ (рис. 7). На схеме рис. 7 показаны результаты выпол-нения операции на выходе каждого элемента ИЛИ-НЕ.

Для получения из элемента ИЛИ-НЕ логического элемента И  необходимо воспользоваться теоремой де Моргана (см. Прил. 2), согласно которой Х Х = Х + Х1 2 1 2⋅ . (5)

Из этой формулы следует, что если входные переменные Х1 и Х2 предварительно подать на полученные ранее инверторы из ИЛИ-НЕ, а затем на сам элемент ИЛИ-НЕ, то на выходе такой схемы будет реализована искомая функция элемента И (рис. 8).

Подписи результата операции на выходе каждого элемента ИЛИ-НЕ на схеме рис. 8 показывают, что в соответствии с форму-лой (5) результатом всех операций на выходе схемы реализуется функция логического умножения входных переменных. Этот ре-зультат подтверждается путем непосредственной подстановки всех возможных пар логических значений входных переменных Х1, Х2.

X Y = X1

Рис. 6. Получение инвертора из элемента ИЛИ-НЕ

X1 + X2

Y = X1 + X21X1

X2

1

Рис. 7. Схема элемента ИЛИ, построенного из элементов

ИЛИ-НЕРис. 8. Элемент И

из элементов ИЛИ-НЕ

1X1

X2

1

1

X1

X2

Y = X1·X2

12

Таким образом, базисность элемента ИЛИ-НЕ и функциональ-ную полноту операции Пирса можно считать доказанной.

Операция Шеффера последовательно выполняет сначала функ-цию логического умножения переменных, а затем инверсию (логиче-ское отрицание) результата умножения для любого числа логических переменных. Поэтому эту функцию называют И-НЕ. Логическая формула операции Шеффера для двух переменных имеет вид

Y X X� �1 2 . (6)

Логическая функция, реализующая эту операцию, может быть, в принципе, получена последовательным выполнением функций И и НЕ из базиса И, ИЛИ, НЕ по схеме (рис. 9).

Элемент И-НЕ (см. рис. 9) производит логическое умножение двух цифровых сигналов с инверсией результата. Условное графи-ческое изображение и таблица истинности двухвходового элемента ИЛИ-НЕ представлены на рис. 10.

По методике, использованной ранее для доказательства функци-ональной полноты элемента ИЛИ-НЕ, докажем базисность элемента И-НЕ. Аналогично предыдущему, получаем инвертор соединением входов элемента И-НЕ (рис. 11).

Используя полученный инвертор, подключаем его на выход элемента И-НЕ для получения элемента с функцией И (рис. 12).

Далее, используя теорему де Моргана для логического сложения (см. Прил. 2) Х Х Х Х ,1 2 1 2� � � (7)

получаем прямо по формуле логическую схему для элемента ИЛИ, состоящую только из одних элементов И-НЕ (рис. 13).

&X1

X2

1X1· X2

Y = X1· X2

Рис. 9. Элемент И-НЕ на два входа, построенный из элементов базиса

И, ИЛИ, НЕ

&X1

X2

X1 X2

Y

Y0

11

11

111

00

00

Рис. 10. Графическое обозначение и таблица истинности

элемента И-НЕ

13

При подстановке всех возможных комбинаций входных логи-ческих переменных Х1, Х2 на выходе логической схемы на рис. 13 получаются значения функции, соответствующие таблице истин-ности логического элемента ИЛИ. Таким образом, из элемен-та И-НЕ мы построили элемен-ты НЕ, И, ИЛИ. Этим доказана функциональная полнота функ-ции И-НЕ.

1.2.3. Элементы РАВНОЗНАЧНОСТЬ и СУММАТОР ПО МОДУЛЮ 2

Равнозначность, или эквивалентность — равенство логиче-ских значений двух переменных. Существует логическая функция РАВНОЗНАЧНОСТЬ (ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ), которая с помощью определенной комбинации базисных логических операций устанав-ливает факт равнозначности.

Логическая формула функции ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ для двух переменных имеет следующий вид:

Y X X X Xравн � � � �1 2 1 2 . (8)

Логический элемент РАВНОЗНАЧНОСТЬ, реализующий эту функцию с помощью базисных операций И, ИЛИ, НЕ, может быть построен по следующей логической схеме (см. рис. 14).

На выходе каждого логического элемента на схеме рис. 14 по-этапно показаны результаты последовательного выполнения опера-ций в соответствии с их функциями, что в итоге создает формулу (8) функции РАВНОЗНАЧНОСТЬ (ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ).

X Y = X&

Рис. 11. Получение инвертора из элемента И-НЕ

X1· X2 Y = X1· X2&X1

X2

&

Рис. 12. Схема элемента И, построенного из элементов И-НЕ

&X1

X2

&

&

X1

X2

Y = X1 + X2

Рис. 13. Элемент ИЛИ из элементов И-НЕ

14

Условное графическое обозначение логического элемента РАВНОЗНАЧНОСТЬ на два входа и таблица истинности функции РАВНОЗНАЧНОСТЬ представлены на рис. 15.

Для получения схемы элемента РАВНОЗНАЧНОСТЬ в базисе ИЛИ-НЕ необходимо с помощью закона двойного отрицания и теорем алгебры логики (см. Прил. 2) пре-образовать выражение (8) функ-ции РАВНОЗНАЧНОСТЬ таким образом, чтобы оно содержало только операции дизъюнкции и инверсии. По закону двойного отрицания

Y X X X X X X X Xравн � � � � � � � �1 2 1 2 1 2 1 2 . (9)

Применяя теорему де Моргана (закон двойственности) к ниж-ним инверсиям над логическими произведениями X1 · X2 и X1 · X2 в формуле (9), получим:

Y X X X X .равн � � � �1 2 1 2 (10)

Теперь непосредственно по полученной формуле (10) можно построить схему элемента РАВНОЗНАЧНОСТЬ только из элементов ИЛИ-НЕ (рис. 16). При этом лишнюю инверсию на выходе снимаем инвертором (последний элемент ИЛИ-НЕ):

Аналогично предыдущим преобразованиям функции РАВНО-ЗНАЧНОСТЬ можно с  помощью закона двойного отрицания

&

&X1

X2

1

11

X1· X2

X1

X2

X1· X2

Y = X1· X2 + X1· X2

Рис. 14. Схема элемента РАВНОЗНАЧНОСТЬ в базисе И, ИЛИ, НЕ

Рис. 15. Графическое обозначение и таблица истинности элемента

РАВНОЗНАЧНОСТЬ

X1

X2

=1 YX1 X2 Y0 10

0 00 011

1 1 1

15

и теоремы де Моргана получить выражение этой функции только через операции И-НЕ. По закону двойного отрицания,

Y X X X X X X X Xравн � � � � � � � �1 2 1 2 1 2 1 2 . (11)

Применяя теорему де Моргана к нижней инверсии над опе-рацией логического сложения, получим логическую функцию РАВНОЗНАЧНОСТЬ в базисе И-НЕ:

Y X X X Xравн � � � �1 2 1 2 . (12)

Теперь непосредственно по полученной формуле (12) построим схему элемента РАВНОЗНАЧНОСТЬ только из базисных элементов ИЛИ-НЕ (см. рис. 17).

В цифровой технике находит широкое применение логическая функция НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, которая с помощью определенной комбинации базисных логических операций устанавливает факт неравенства логических значений переменных.

&

&X1

X2

&

&

&

X1· X2

Y = X1· X2 + X1· X2

X1· X2

Рис. 17. Элемент РАВНОЗНАЧНОСТЬ в базисе И-НЕ

1

1X1

X2

X1 + X2

1

X1 + X2

Y = X1· X2 + X1· X2

1

11

(X1 + X2) + (X1 + X2)

Рис. 16. Элемент РАВНОЗНАЧНОСТЬ в базисе ИЛИ-НЕ

16

Как будет показано далее, эта функция может называться ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а также операцией СУММИРОВАНИЕ ПО МОДУЛЮ 2. Логическая формула функции НЕРАВНОЗНАЧ-НОСТЬ для двух переменных имеет следующий вид:

Yнеравн Х X X X� � � �1 2 1 2 . (13)

С помощью законов алгебры логики (см. Прил. 2) легко показать, что функция НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ является инверсией функции РАВНОЗНАЧНОСТЬ и наоборот, т. е. эти функции логически вза-имно отрицают друг друга:

Y Yравн неравн= . (14)

Одно из нескольких условных графических обозначений двух-входового логического элемента, выполняющего операции функ-ции (13), и таблица ее истинности представлены на рис. 18.

Такое условное графическое обозначение отражает свойст-во элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ как  отрицание элемента РАВНОЗНАЧНОСТЬ.

Из таблицы истинности видно, почему этот элемент называют также СУММАТОР ПО МОДУЛЮ 2. Действительно, таблица по-казывает сложение одноразрядных двоичных чисел с переносом единицы в старший разряд при сложении двух единиц в последней строке таблицы.

Необходимо также отметить, что таблица истинности элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ отличается от соответствующей таблицы элемента ИЛИ нулевым значением функции в последней строке.

Рис. 18. Условное графическое обозначение логического элемента и таблица истинности функции НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ

для двух логических переменных

X1

X2

=1 YX1 X2 Y0 0

00

01

1

1 1

10

1

17

Поэтому элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ называют также элемен-том ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. В связи с различными названиями этого логического элемента он имеет разные УГО на логических и электрических схемах (см. рис. 19).

Логическую формулу этого элемента часто сокращенно запи-сывают в виде

Yнеравн = X1 ⊕ X2. (15)

Анализируя формулу двухвходового логического элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, можно заключить, что в нем используется сложная функция, содержащая два логических умножения и логиче-ское сложение результатов умножения двух логических переменных. Формула этой логической функции показывает, каким образом нужно соединить элементы базиса И, ИЛИ, НЕ (см. рис. 20), чтобы построить логическую схему элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ (СУММАТОР ПО МОДУЛЮ 2, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ).

Для  того чтобы построить логическую схему элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в базисе элемента ИЛИ-НЕ, необходи-мо с помощью алгебры логики преобразовать формулу (13) этого элемента так, чтобы она не содержала операций логического ум-ножения. С этой целью, как уже было показано ранее, дважды ин-вертируем отдельно операции логического умножения. Применяя теорему де Моргана к нижним инверсиям логических произведений,

=

m2

X1

X2

Y = X1⊕X2

Y = X1· X2 + X1· X2X1

X1

X2

X2

≠

Рис. 19. Различные условные графические обозначения

элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, или СУММАТОР ПО МОДУЛЮ 2

Рис. 20. Элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ

в базисе И, ИЛИ, НЕ

&X2

1 Y = X1⊕X2

1

&1

X1· X2

X1

X1·X2

18

получим вместо них логические суммы инвертированных перемен-ных. Теперь формула элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ содержит только логические операции, осуществляемые в базисе ИЛИ-НЕ:

Y X X X Xнеравн � � � �1 2 1 2 . (16)

Используя полученную формулу, непосредственно по ней со-здаем логическую схему элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ в базисе ИЛИ-НЕ (рис. 21).

Для  того чтобы построить логическую схему элемента

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в базисе элемента И-НЕ, необходимо с помощью алгебры логики преобразовать формулу (13) элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ так, чтобы она не содержала операций логического сложения. С этой целью дважды инвертируем всю формулу (13). Применяя теорему де Моргана к нижней инверсии логического сложения, получим вместо него логическое произ-ведение инвертированных логических произведений и оконча-тельно запишем логическую формулу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в базисе И-НЕ

Y X X X Xнеравн � � � �1 2 1 2 . (17)

Сейчас непосредственно по формуле создаем схему логического элемента СУММАТОР ПО МОДУЛЮ 2 из элементов И-НЕ (рис. 22).

В  тексте и  в  подрисуночных подписях мы намеренно использовали различные названия этого широко распространенного логического элемента, чтобы читатель твердо усвоил, что это разные

X1

X2

X1 + X2

1 X1 + X2

1

1

1

1 1 Y = X1⊕X2

Рис. 21. Элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ в базисе ИЛИ-НЕ

19

названия одного и того же элемента. В дальнейшем мы будем называть его однозначно элементом НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ.

1.3. Элементная база цифровых устройств

1.3.1. Логические уровни ТТЛ‑микросхемВ настоящее время применяются два вида ТТЛ-микросхем —

с напряжением питания 3 В и 5 В, но, независимо от этого, логиче-скому нулю соответствует низкий уровень напряжения около нуля, а логической единице — высокий уровень, близкий к напряжению питания. Поэтому дополнительного согласования между этими ТТЛ-микросхемами обычно не требуется. Логические уровни на-пряжений на входе и выходе цифровой микросхемы должны на-ходиться в определенных пределах. Границы уровней логического нуля и единицы для ТТЛ-микросхем приведены на рис. 23.

&

X1

X2

&

X1· X2

Y = X1⊕X2

&

&

&

X1 · X2

Рис. 22. Элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ в базисе ИЛИ-НЕ

Уровень логической единицы

Уровеньлогического нуля

Неопределенноесостояние

U 0вх = 0,8 В

Uпор = 1,5 В

U 1вх = 2,4 В

Uп = 5 В

Рис. 23. Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ-микросхем

20

Реализация логических функций осуществляется с помощью определенных электронных процессов в транзисторных микро-схемах, управляемых сигналами — электрическими импульсами низ-кого и высокого уровней напряжения. Выходной сигнал логических элементов связан с входными сигналами определенной логической операцией. Например, операция логического отрицания (инверсия) может быть реализована с помощью простого транзисторного уси-лителя, работающего в импульсном режиме. На рис. 24, б представ-лено условное графическое изображение устройства, реализующего функцию логического отрицания (инверсии), а на рис. 24, а — элек-трическая схема инвертора (элемента НЕ).

Рассмотрим принцип действия такого варианта схемного ре-шения элемента НЕ. При подаче на вход усилителя напряжения высокого ровня (уровень логической единицы) большой базовый ток (резистор Rб ограничивает ток перехода база — эмиттер до мак-симально возможного) вызовет максимальный ток коллектора транзистора. Величина тока определяется, по закону Кирхгофа, величиной напряжения питания Ек, сопротивлением резистора Rк и сопротивлением между коллектором и эмиттером открытого транзистора. Транзистор при этом работает в режиме насыщения, когда у него оба перехода смещены в прямом направлении, и его сопротивление и напряжение между коллектором и эмиттером практически равны нулю. Тогда выходное напряжение (измеряемое,

Рис. 24. Транзисторный усилитель с общим эмиттером в качестве инвертора: а — электрическая схема; 

б — условное графическое обозначение инвертора

110

10

XRб

Rк

+Ек

Y = X

X Y = X

а б

21

как и входное, относительно общего провода) равно нулю (уровень логического нуля).

Если, наоборот, на входе усилителя присутствует напряжение низкого уровня (логический ноль), то нулевой базовый ток закро-ет оба pn-перехода транзистора (режим отсечки). Это приведет к высокому сопротивлению и напряжению между коллектором и эмиттером транзистора. Тогда, по закону Кирхгофа, выходное напряжение будет практически равно напряжению источника пи-тания, т. е. уровню логической единицы.

Таким образом, транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером может выполнять функцию логического отрицания. Электрическая схема, реализующая эту функцию, называется инвертором, или элементом НЕ.

Логические элементы разных видов микросхем (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП и др.) могут различаться в функциональном отношении. Базовым считают элемент с наиболее простой структурой, на осно-ве которого легче всего создавать другие логические электронные схемы. Для микросхем ТТЛ таким логическим элементом является логическая схема И-НЕ.

Базовые элементы разных видов микросхем (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП и др.) могут различаться в функциональном отношении. Базовым логическим элементом считают элемент с наиболее простой струк-турой, на основе которого легче всего создавать другие электронные схемы. Для микросхемы ТТЛ таким логическим элементом является логическая схема И-НЕ.

1.3.2. Первые логические элементы ТТЛВ цифровой электронике простые логические операции осу-

ществляются с помощью микроэлектронных схем, функционирую-щих аналогично логическим элементам. Первоначально микросхемы содержали всего один базовый логический элемент, примерная схема которого показана на рис. 25, а. По мере дальнейшего развития технологии на кристалле полупроводниковой микросхемы стали размещать разнообразные наборы элементов, а позднее начали со-единять их в структуры, выполняющие более сложные логические

22

функции. При этом принципиальная электрическая схема базовых логических элементов не изменялась.

С течением времени скоростные параметры микросхем оказыва-лись довольно неудовлетворительными и приходилось увеличивать величину быстродействия, экономичность и повышать помехо-устойчивость микросхем за счет модернизации принципиальной схемы базовых логических элементов. В течение 20–25 лет последова-тельно изменились более десяти таких схем. Для того чтобы отличать их друг от друга, им присваивали условные буквенные обозначения. В них, по традиции, имеется буква Л (от слова логика). Словом логика ранее условно называли электронный ключ, управляемый импуль-сами. Рассмотрим принципиальную возможность построения элек-тронных схем, осуществляющих различные логические операции, на примере развития элементов от резисторно-транзисторной логики

R2

R4

Uип UипUип

Uип

Выход Q

ба

R1

R3

Вход А

Вход В

Вход С

BH

S1DD1

I1вх

I 0вх

VD2

R2

QVD1

VD3

А

В

С

BH

S1DD1IБ

R1

R3

VD4

–Uсм

∑

R2

Q

VT2 АВС

DD1R1VT1

в г

VT2 VT2

Рис. 25. Первые логические элементы: а — элемент РТЛ; б — элемент ДТЛ; в — элемент ТТЛ;

г — функциональное обозначение

23

(РТЛ) до диодно-транзисторной логики (ДТЛ) и далее до транзи-сторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Электрическая схема элемента РТЛ (рис. 25, а) отражает на-личие в схеме пассивных компонентов — резисторов R1, R2, R3 и активного компонента — переключательного транзистора VT1. В 1960-е гг. микросхемы РТЛ достаточно большими партиями вы-пускались в гибридном исполнении, т. е. с навесными элементами. На рис. 25, а схема логического элемента (обозначенного как DD1) обведена штрихпунктирной линией.

Подключим на вход А элемента DD1 (рис. 25, а) электромеха-нический переключатель S1. Подвижный контакт переключателя может занимать два крайних положения — В и Н. В верхнем по-ложении В на вход А поступает напряжение высокого логического уровня U 1вх = Uип, а в нижнем положении Н — низкого U 0вх = 0. На рис. 25, а на вход А подан сигнал логической единицы высокого уровня. Сейчас от положительного вывода источника питания Uип через резистор R1 в базу транзистора VT1 втекает довольно боль-шой базовый ток IБ, открывающий транзистор. Такой базовый ток транзистора VT1 является здесь входным током высокого уровня I 1вх. Сопротивление открытого транзистора приблизительно равно нулю, что приводит к выходному напряжению ЛЭ низкого уровня — сигналу логического нуля. Видно, что этот элемент РТЛ выполняет по любому из входов А, В, С функцию логического отрицания, т. е. является инвертором. При использовании всех трех входов этот ЛЭ является элементом ИЛИ-НЕ.

Необходимо отметить, что элемент РТЛ включается входным напряжением высокого уровня. Входное напряжение, включающее ЛЭ, можно назвать активным логическим сигналом элемента. Таким образом, у элемента РТЛ активный логический сигнал высокого уровня.

Если в схеме (рис. 25, а) переключатель S1 установить в по-ложение Н, база транзистора будет иметь нулевой потенциал, и транзистор VT1 открывающего тока получать не будет и поэтому закроется. Транзистор перейдет в состояние с высоким сопротив-лением и на выходе Q логического элемента установится напряже-ние высокого уровня (уровень логической единицы). Через вход А

24

логического элемента DD1 будет стекать на землю очень малень-кий входной ток. Так как этот ток течет при входном напряжении низкого уровня (нулевого логического уровня), то его обозначают как I 0вх. Этот ток является обратным током неосновных носителей перехода коллектор — база IКБО, т. е. неуправляемым током утечки перехода коллектор — база транзистора VT1.

В эпоху ламповых ЭВМ очень широко использовались ЛЭ с вход-ными диодами. При использовании с транзисторами она получила название ДТЛ — диодно-транзисторная логика. Электрическая схе-ма этого элемента показана на рис. 25, б. Входные резисторы R1, R2, R3, снижающие время включения элемента РТЛ, заменены диодами VD1–VD3. Используется дополнительное внешнее отрицательное напряжение смещения –Uсм, равное 1–2 В. Диод VD4 отделяет вход-ную матрицу VD1–VD3.

Логический элемент ДТЛ имеет активный логический сигнал низкого уровня, т. е. включается низким уровнем напряжения. Эле-мент ДТЛ DD1 (рис. 25, б) включается заземлением входа А через переключатель S1. При этом диод VD1 откроется, потенциал в точ-ке ∑ схемы понизится до 0,7 В (это падение напряжения на открытом кремниевом диоде). Отрицательное напряжение (0,7 – Ucм) В закроет переход база — эмиттер транзистора и переведет транзистор VT1 в закрытое состояние с высоким сопротивлением (режим отсечки). На выходе Q установится напряжение высокого уровня U 1вых ~ Uип. От входа элемента ДТЛ в это время стекает на землю входной ток низкого уровня I 0вх:

IU

вхип В0 0 7

1�

� ,.

R

Если на вход А через переключатель S1 подать напряжение высокого уровня U 1вх, то это приведет к закрытию диода и поэто-му входной ток I 1вх высокого уровня будет пренебрежимо малым. При этом положительное напряжение в точке ∑ схемы существенно превысит отрицательное напряжение смещения и через диод VD4 в базу транзистора будет втекать большой открывающий ток IБ (учитывая, что Uип по модулю существенно превышает Uсм). От-крывшийся транзистор VT1 будет иметь сопротивление, близкое

25

к нулю (режим насыщения) и на выходе Q появится напряжение низкого уровня U 0вых < 0,3 В.

Необходимо отметить, что в схеме ДТЛ база переключающего транзистора VT1 гальванически не связана с источником сигна-ла — переключателем S1. Следовательно, на транзистор не попадут ложные сигналы (помехи) от источника.

Описанное поведение элемента ДТЛ по каждому из входов А, В, С характеризует его как инвертор. При использовании всех трех входов он будет выполнять логическую операцию элемента И-НЕ.

Подчеркнем, что в элементе ДТЛ входным запускающим то-ком является ток низкого уровня, следовательно, для такой схемы входным активным логическим сигналом является напряжение низкого логического уровня U 0вх. Перевод схемы на низкий запу-скающий уровень необходим для работы с источниками кодовых, цифровых сигналов (от кнопок, переключателей, контактов реле). Замыкание их контактов на земляную шину (провод с нулевым потенциалом) приводит к меньшему числу повторяющихся им-пульсов запуска из-за так называемого дребезга контактов. Дребезг контактов при их замыкании на высокий потенциал создает более высокие амплитуды повторяющихся импульсов, которые приводят к ложным срабатываниям ЛЭ.

Однако, несмотря на более высокие характеристики полу-проводниковых микросхем ДТЛ, довольно быстро обнаружили, что для улучшения электрических параметров выгоднее заменить диоды VD1–VD4 (рис. 25, б) многоэмиттерным транзистором (VT1 на рис. 24, в). Интегральные полупроводниковые микро-схемы с многоэмиттерным транзистором на входе стали называть транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ) или сокращенно Т2Л. Однако последнее сокращение не привилось. Похожее подобное сокращение закрепилось за более поздней интегральной инжек-ционной логикой, сокращенно И2Л. Для нее, наоборот, не было принято сокращение ИИЛ. Элемент ТТЛ (рис. 25, в) из дискретных электронных компонентов не создавался, так как многоэмиттерный транзистор появился только в результате технологий интегральной схемотехники. Четыре pn-перехода транзистора VT1 (рис. 25, в)

26

выполняют электрические функции матрицы диодов VD1–VD4 в элементе ДТЛ (рис. 25, б).

Рассмотренные трехвходовые элементы РТЛ, ДТЛ и ТТЛ имеют функциональное обозначение, показанное на рис. 25, г.

Существуют следующие серийные выпуски микросхем ТТЛ: три ранних — без применения переходов с барьером Шоттки (стандарт-ные, маломощные и мощные), два с переходами Шоттки — ТТЛШ, три новых, более перспективных, усовершенствованных ТТЛШ, называемых FAST, AS и ALS.

1.3.3. Устройство и принцип действия логического элемента И‑НЕ ТТЛ

Схема интегрального базового логического элемента И-НЕ се-мейства ТТЛ показана на рис. 26 и 27. Она состоит из npn-тран-зисторов VT1, VT2, VT3 и VT4. Транзистор VT1 является много-эмиттерным. Электрическое функционирование такого транзистора рассмотрено в предыдущем разделе. Число эмиттеров многоэмит-терного транзистора определяет число входов ЛЭ. Выпускаются логические элементы И-НЕ с 2, 3, 4 и 8 входами. Все входы мно-говходового элемента И-НЕ равноценны. Без потери общности мы рассмотрим наиболее простой ЛЭ с двумя входами. Помимо транзисторов микросхема такого ЛЭ содержит четыре резистора и один диод. В схеме не представлены имеющиеся паразитные тран-зисторные и диодные структуры. В нормальных рабочих режимах они заперты и не влияют на процессы функционирования.

На рисунках приведены номиналы резисторов, характерные для наиболее распространенной универсальной (стандартной) се-рии ТТЛ.

При  рассмотрении работы базовых логических элементов И-НЕ сделаем следующие допущения:

— падение напряжения на pn-переходах, смещенных в прямом направлении, неизменно и равно 0,7 B;

— падение напряжения на переходе коллектор — эмиттер на-сыщенного транзистора пренебрежимо мало;

— напряжение на входе ИМС, превышающее 2,4 B, принимаем за высокий уровень и считаем логической единицей;

27

— напряжение ниже 0,8 B на входе принимаем за низкий уро-вень и считаем логическим нулем.

Рассмотрим два случая работы элементов.1. На все входы ЛЭ И-НЕ подключено напряжение высокого

уровня (рис. 26).

В этом случае на его выходе присутствует напряжение низкого уровня. Это значит, что транзистор VT3 открыт и насыщен. Соглас-но принятому допущению, напряжение на базе VT3 равно +0,7 B. В базу транзистора VT3 втекает часть эмиттерного тока транзи-стора VT2, обеспечивая насыщение VT3. Часть эмиттерного тока VT2 протекает через резистор RЗ. Транзистор VT2 тоже насыщен, поэтому напряжение на его базе равно 1,4 В (0,7 В падает на пере-ходе база — эмиттер транзистора VT3 и столько же — на таком же переходе транзистора VT2).

На эмиттерах транзистора VT1 присутствует высокое напря-жение питания (+5 В). На базу VT1 через резистор R1 также подан высокий уровень напряжения питания Uип = 5 В, а напряжение на коллекторе равно +1,4 В. В этом случае переходы эмиттер — база смещены (включены) в обратном направлении, а переход база —

R40,13 к

+5 B

Выход

ба

VT1Iвх

R21,6 к

R14 к

R31 к

VT4

VT3

Общий

+0,1 В

+0,7 В

VT2+0,7 В VD1

+2,1 В

+1,4 ВAB Iвых &

Iвх Iвых

X = 0

A = B = 1

Рис. 26. Базовый логический элемент И-НЕ в состоянии с низким уровнем выходного напряжения (Uвых = 0 В): а — принципиальная схема

с распределением токов при единичных входных сигналах;  б — условное обозначение

28

коллектор — в прямом, что соответствует инверсному включению транзистора. При таком включении коэффициент усиления по току очень мал, так как переходы база — эмиттер транзистора VT1 за-крыты. Этим объяснятся то, что ток, протекающий через каждый вход, очень мал — около 40 мкА. Это ток неосновных носителей, протекающий через закрытые переходы база — эмиттер VT1.

Через переход база — коллектор транзистора VT1 протекает ток:

IK

В В

ОммА.�

�

��

5 2 14 10

0 73

,,

Этот ток является базовым током транзистора VT2.Такого тока достаточно для насыщения транзистора VT2. На-

пряжение на коллекторе VT2 при этом будет +0,7 В, так как тран-зистор VT2 насыщен, а на его эмиттере присутствует напряжение +0,7 В. Оно запирает транзистор VT4, так как на диоде VD1 также падает напряжение +0,7 В. Таким образом, транзистор VT4 заперт, а выходной ток ЛЭ равен коллекторному току транзистора VT3. При этом выходной ток «втекает» в ЛЭ через его вывод от нагруз-ки, подключенной к выходу логического элемента. Для логических элементов И-НЕ ТТЛ универсальных серий с обычной нагрузочной способностью выходной ток Iвых не должен превышать 16 мА.

При напряжении высокого уровня на всех входах логического элемента И-НЕ на выходе действует напряжение низкого уровня. Транзистор VT1 включен инверсно, VT2 и VT3 открыты и насы-щены, a VT4 закрыт. Входной ток ЛЭ пропорционален числу вхо-дов, а также току одного эмиттера многоэмиттерного транзистора, но не превышает 40 мкА (обычно равен 10 мкА). Входной ток «вте-кает» в ЛЭ.

2. На любой из входов логического элемента Н-НЕ подано на-пряжение низкого уровня (рис. 27, а).

На рис. 27 показано, что вход А подключен к шине Uип, а вход В — к общей шине. Теперь транзистор VT1 включен в режиме уси-ления. Его эмиттер, подключенный к входу В, имеет более низкий (нулевой) потенциал, чем потенциал базы. Переход эмиттер — база транзистора VT1 включен в прямом направлении, а переход

29

база — коллектор — в обратном. Ток эмиттера В является входным током база — эмиттер транзистора VT1. Он является «вытекающим» из входного вывода; его значение определяется сопротивлением резистора R1 и не превышает 1,6 мА. Напряжения относитель-но общего провода в различных узлах схемы указаны на рисунке. Транзистор VT2 закрыт низким потенциалом базы, что приво-дит к запиранию и транзистора VT3 по той же причине. Высо-кое сопротивление закрытого транзистора VT2 создает совместно с резистором R3 делитель напряжения с малым коэффициентом передачи, что и приводит к низкому значению напряжения на базе транзистора VT3. Назначение резистора R3 — предохранять тран-зистор VT3 от отпирания начальным током VT2. Транзистор VT4 открыт током, протекающим через базу и резистор R2, но при этом не насыщается, так как его напряжение база — эмиттер меньше 0,7 В. Выходное напряжение ЛЭ при этом имеет высокий уровень. Если вытекающий из ЛЭ выходной ток I 1вых < 2,3 мА, то выходное напряжение высокого уровня U 1вых > 2,4 В, т. е. больше минимально допустимого (2 В).

При напряжении низкого уровня хотя бы на одном из входов логического элемента И-НЕ, на его выходе присутствует напря-жение высокого уровня. Максимальный входной ток 1,6 мА. Он

R40,13 к

+5 B

Выход

ба

VT1

IвхAR21,6 к

R14 к

R31 к

VT4

VT3

Общий

+3,6 ВVT2

+4,9 ВVD1

+0,9 В

+0,3 В

AB

Iвых

& Iвых

X = 1

A = 1

IвхB

IвхA

B = 0IвхB

Рис. 27. Базовый логический элемент И-НЕ с высоким выходным напряжением (Uвых = 5 В): а — принципиальная схема с распределением

токов при заземлении одного из входов; б — условное обозначение

30

«вытекает» из ЛЭ. Максимальный выходной ток 2,3 мА. Он также «вытекает» из ЛЭ.

Транзисторы VT2, VT3 и VT4 (рис. 26 и 27) образуют так назы-ваемый сложный инвертор. В каждом состоянии ЛЭ открыт либо выходной транзистор VT3, а VT4 закрыт, либо наоборот — VT3 закрыт, а выходной транзистор VT4 открыт. По этой причине вы-ходное сопротивление ЛЭ в обоих состояниях невелико. Низкое выходное сопротивление сложного инвертора обеспечивает воз-можность подключения к выходу ЛЭ до 10 входов от микросхем этой серии. Также низким выходным сопротивлением обусловлено высокое быстродействие ЛЭ, так как тем самым обеспечивается быстрый заряд и разряд паразитных емкостей, которые могут при-сутствовать на выходе ЛЭ. Во время переключения транзисторов VТЗ и VT4 из одного состояния в другое ток Iпот, потребляемый ЛЭ от источника питания, резко возрастает. Происходит это из-за того, что при переключениях оба транзистора в течение короткого про-межутка времени открыты одновременно. При этом ток в цепи питания ограничивается только резистором R4 (около 130 Ом).

На рис. 28 показано, как влияют переключения выходных транзисторов логических элементов И-НЕ на потребление энергии от источника питания. При смене состояний проводимости (моменты t1 и t2) ток потребления возрастает.

При переключениях каждого ЛЭ из-за ро-ста потребления энергии возможно появление больших импульсных помех с напряжением Uп в шинах питания. Поэтому в цепях питания необходимо устанавливать фильтры. Чаще всего в качестве фильтров используют кон-денсаторы емкостью 0,001…0,01 мкФ с малой индуктивностью выводов. Их подключают между шиной питания и общей шиной.

1.3.4. Семейства ТТЛ‑микросхемПервые ТТЛ-микросхемы можно встретить в  аппаратуре,

работающей до сих пор. Это семейство микросхем серии К155.

Uвых

Uп

t

t

Iпот

t1 t2t

Рис. 28. Зависимость тока потребления

при переключении логического

элемента И-НЕ

31

Стандартные микросхемы ТТЛ — это микросхемы, работающие от источника питания с напряжением +5 В. Зарубежные ТТЛ-микро-схемы аналогичной серии называются SN74. Внутри серии микро-схемы обозначаются цифровым номером, следующим за названием серии. Например, в микросхеме SN74S00 содержится четыре логи-ческих элемента 2И-НЕ. Микросхемы подобной серии с расширен-ным рабочим температурным диапазоном получили название SN54 (отечественный вариант — серия микросхем К133).

Отечественные микросхемы, аналогичные SN74, выпускались в составе серий К134 (низкое быстродействие, низкое потребление энергии — N74L), К155 (среднее быстродействие, среднее энерго-потребление — SN74) и К131 (высокое быстродействие и большие мощности, а значит, и высокое энергопотребление). Значительно позднее были выпущены микросхемы повышенного быстродействия с диодами Шоттки. В названии зарубежных микросхем с диодами Шоттки в обозначении серии появилась буква S. В соответствующих отечественных сериях микросхем первая цифра 1 была заменена на цифру 5. Например, микросхемы серий К555 имеют низкое быстро-действие и небольшую мощность (аналог — SN74LS), а К531 — высо-кое быстро действие и большое энергопотребление (аналог — SN74S).

В настоящее время отечественная промышленность производит микросхемы серий К1533, имеющие низкое быстродействие и низкое потребление энергии (аналог — SN74ALS), и К1531, обладающие высоким быстродействием и большим энергопотреблением (ана-лог — SN74F).

1.3.5. Правила работы с ЛЭ И‑НЕ ТТЛДля безаварийного применения логических элементов необходи-

мо соблюдать ряд правил, обусловленных технологической структу-рой ИМС и параметрами входящих в микросхемы элементов. Только так можно создавать надежно работающие устройства. Надежность обеспечивается главным образом диапазоном и стабильностью напряжения питания, правильным подключением внешних пассив-ных элементов к входам и выходам микросхем, а также способами соединения нескольких ЛЭ и различными мерами защиты входных и выходных элементов от повреждений.

32

Питающее напряжение стандартных ИМС ТТЛ составляет 5 В ± 0,25 В. Перед включением необходимо всегда проверять поляр-ность и фактическое значение напряжения питания. Повышенное напряжение или его обратная полярность ведут к необратимому повреждению микросхемы. Неправильную полярность подключения можно исключить применением диодной защиты. В случае разме-щения ЛЭ на печатных платах желательно, чтобы шина питания и общая шина имели максимально большую площадь и образовы-вали замкнутый контур.

Ниже рассмотрены условия выбора ограничительных сопротив-лений резисторов и конденсаторов, даны разъяснения, касающиеся подачи разных напряжений на входы ЛЭ, а также представлены способы соединения нескольких ЛЭ.

1.3.6. Включение внешнего резистора

Резистор включен между входом ЛЭ и общей шинойДля получения на входе логического элемента И-НЕ нулевого ло-

гического уровня напряжения необходимо использовать резисторы сопротивлением менее 500 Ом. Тогда падение напряжения на ре-зисторе за счет входного тока ЛЭ меньше 0,4 В, что соответству-ет напряжению низкого уровня на входе ЛЭ.

Для получения на входе ло-гического элемента И-НЕ еди-ничного логического уровня напряжения необходимо использовать резисторы сопротивлением более 5 КОм. Тогда падение напряжения на резисторе за счет входного тока ЛЭ превышает 1,3 В, т. е. на входе действует напряжение высокого уровня. Это связано с тем, что вход-ное напряжение величиной 1,3 В является для этой микросхемы пороговым, при котором происходит переход из одного состояния в другое. Чтобы обеспечить на входе напряжение высокого уровня, заведомо превышающее пороговое, сопротивление R должно быть больше 5 кОм.

& XA

R+

_

Рис. 29. Включение внешнего резистора между входом ЛЭ

и нулевой шиной

33

Резистор включен между входом и выходом ЛЭЕсли вход А  подключен

к  другому элементу, от  кото-рого поступают чередующиеся во времени управляющие сигна-лы высокого и низкого уровней, то для того чтобы отсутствовали токовые перегрузки в схеме ло-гического элемента И-НЕ, необ-ходимо выбирать сопротивление R такого резистора в диапазоне 240 Ом < R < 470 Ом.

Резистор включен между входом ЛЭ и шиной питанияЕсли на  каком-либо входе

ЛЭ необходимо всегда поддер-живать уровень напряжения ло-гической единицы, то в качестве источника единичного сигнала можно использовать напряжение питания Uп. Если же Uп случайно может достичь +5,5 В, то сопро-тивление резистора R должно находиться в пределах 1,0…3,3 кОм. Можно присоединить этот вход ЛЭ к источнику питания просто проводом (R = 0), когда есть уверенность что Uп ни в коем случае не станет больше +4,5 В.

На неприсоединенном (открытом) входе А также имеется напря-жение уровня логической единицы, однако в этом случае возможно самовозбуждение схемы ЛЭ.

Резистор R2 включен между источником сигнала и входом ЛЭСопротивление R2 суммируется с сопротивлением R1 источника

сигналов. Если известны напряжения высокого (U 1и) и низкого (U 0и) уровней, развиваемых источником сигнала, то значение сопротив-ления R2 (в килоомах) находят по формулам:

R и2 0 9 0≈ , ;U

R и2 0 5 0 3 1� �, , .U

Рис. 30. Включение внешнего резистора между входом

и выходом ЛЭ

& XA

R

& X

A

RUп

Рис. 31. Включение внешнего резистора между входом ЛЭ

и шиной питания

34

Если результат расчета по пер-вой формуле окажется меньше, чем по второй, то это означает, что уровни U 0и и U 1и не подходят и их следует изменить. Здесь под-разумевается внешний источник сигналов, у которого уровни вы-ходного напряжения отличаются от допустимых уровней для ТТЛ.

Резистор R2 включен параллельно источнику сигналаРезисторы R1 и R2 образуют

делитель напряжения, и на вход ЛЭ попадает только часть UА напряжения источника сигнала Uи, т. е.

U UA

И

R1 + R2R2.� �

При этом R2 вычисляется по известным значениям Uи и R1 отдель-но для напряжения низкого (UА < 0,4 В) и высокого (UА > 2,4 В) уровня.

1.3.7. Включение внешнего конденсатора

Конденсатор подключен между входом ЛЭ и общей шинойЕмкость конденсатора С

не должна превышать 1…3 нФ, иначе во время переключений возможно возникновение ко-лебаний с частотой до 10 МГц. При заряде конденсатора вход-ным током ЛЭ время задержки определяется соотношением τ = = 1,45 C, где τ — в микросекундах, С — в нанофарадах.

Следует отметить, что в более сложных схемах, где приняты меры против самовозбуждения (например, путем использования

Рис. 32. Присоединение ЛЭ к источнику сигнала через

резистор R2

& XA

R1

R2

R = R1 + R2

U 1и(U 0

и)

Рис. 33. Включение резистора R2 параллельно источнику сигнала

& XAR1

R2 UA

& XA

C

R+Uп

Рис. 34. Включение конденсатора С между входом ЛЭ и общей шиной

35

RS-триггера), емкость конденсатора может быть и существенно большей величины.

Конденсатор включен на выходе ЛЭЕмкость такого конденсато-

ра С не должна превышать 1 нФ. Включение этого конденсатора увеличивает длительность фрон-та и среза импульса и ведет к ро-сту потребления энергии. Такого включения следует по возможности избегать.

Конденсатор включен между выходом одного ЛЭ и входом другогоКонденсатор С можно рас-

сматривать как разделительный. Емкость такого конденсатора не  должна превышать 10  нФ. При большей емкости во время фронта импульса возможны па-разитные колебания. (Значения R на входе ЛЭ см. выше). Чтобы предохранить входы ЛЭ от выброса отрицательного напряжения, возникающего вследствие дифферен-цирования сигнала RC‑цепью, необходимо использовать диодную защиту (на рисунке показана штрихами).

Входы логических элементов ТТЛ отечественного производства содержат диоды, которые изготовляются в ходе единого техноло-гического процесса. В нормальных условиях диоды всегда закрыты и не влияют на работу микросхемы.

1.3.8. Напряжение на выводах ЛЭ

Оптимальный режим работы ЛЭОптимальный режим работы

ЛЭ возможен, если напряжения входа UА и выхода UX соотносят-ся следующим образом:

Рис. 35. Включение конденсатора С на выходе ЛЭ

& XA

CUвхUвых

&A

C & X

R

Рис. 36. Включение конденсатора С между выходом одного ЛЭ

и входом другого

& XA

UA UX

Рис. 37. Напряжение на выводах ЛЭ

36

UА < +0,8 В; +2,4 В < UX < +5 В — на входе ЛЭ действует напря-жение низкого, а на выходе — высокого уровня;

UA > +2 В; 0 < UX < +0,4 В — на входе ЛЭ действует напряжение высокого, а на выходе — низкого уровня.

Подача на вход ЛЭ напряжения, которое может принимать отрицательное значение

Подача на входы отрицательного (относительно общей шины) напряжения ниже –1,4 В недопу-стима. Если входное напряжение может принимать и отрицатель-ное значение, следует предусмо-треть диодную защиту (изобра-жена штрихами).

Примечание. Здесь подразумевается, что источник входных сигналов может иметь собственный источник питания и в общем случае может не быть микросхемой ТТЛ.

Подача на вход ЛЭ напряжения, которое может превышать напряжение источника питания

Используется диодная защи-та входов ЛЭ при повышении напряжения источника сигна-ла. При этом охранный диод от-пирается и защищает входы ЛЭ от перенапряжения.

Подача напряжения, кото‑рое может быть выше +5 В или ниже –1,4 В

Защита осуществляется дву-мя диодами (совмещение двух предыдущих схем).

& XA

R UAUX

Рис. 38. Защита входов ЛЭ

Рис. 39. Диодная защита входов ЛЭ от перенапряжения

& XA

R UAUX

+Uп

& XR UX

+Uп

VD1

VD2

Рис. 40. Защита входа ЛЭ диодными ограничителями

напряжения

37

1.3.9. Соединение ЛЭ между собой

Подключение входов ЛЭ к выходу другого ЛЭК  одному выходу ЛЭ можно подключать

до Краз = 10 входов подобных ЛЭ, где Краз называют коэффициентом разветвления по выходу.

Если некоторые из входов соединены парал-лельно (DD3, DD4 и DD5 на рис. 41), учитывается каждый из них. На схеме к выходу DD1 подклю-чено 9 входов.

Выпускаются также специальные (буферные) микросхемы И-НЕ, выходные каскады которых обладают повышенной нагрузочной способностью (например, К155ЛА12, К155ЛА6).

Параллельное соединение только выходов ЛЭЕсли на входы ЛЭ будут поданы сигналы, кото-

рые создадут напряжение высокого уровня на од-ном из выходов и напряжение низкого уровня на другом, через выходные транзисторы логиче-ских элементов DD1 и DD2 пройдет недопустимо большой ток и вызовет повреждение выходных транзисторов.

Параллельное соединение входов и выходов двух ЛЭЛишь в том случае, когда входы ЛЭ включаются параллельно,

допустимо параллельное включение их выходов. В этом случае вы-ходные транзисторы логических элементов DD1 и DD2 находятся в одинаковом состоянии.

Рис. 41. Схема соединений ЛЭ с разветвлением

по выходу

&

&

DD2

&DD3

&DD4

&DD2

&DD5

&DD6

&DD7

&

DD1

&

&DD1

&DD2

DD3U 1

U 0

Рис. 42. Параллельное соединение только выходов ЛЭ

НЕДОПУСТИМОРис. 43.Правильное параллельное

соединение выходов ЛЭ

&

&DD1

&DD2

DD3

38

Последовательное соединение двух ЛЭПри таком соединении двух ЛЭ амплитуда и полярность им-

пульса сохраняются, а  фронт и срез становятся круче. При им-пульсах с длительностью фронта или среза до 0,5 мкс такое соеди-нение ЛЭ применяют для повы-шения их крутизны.

Построение ЛЭ в базисе И‑НЕНа выходе логического элемента И-НЕ (схемы совпадения с ин-

версией выходного сигнала) возникает напряжение низкого уровня, когда на все его входы подано напряжение высокого уровня. Логиче-ская функция элемента — операция Шеффера — подробно рассмо-трена в разделе 1.1.2. Принцип действия электронной схемы также рассмотрен ранее в разделе 1.1.6 (см. схемы на рис. 26 и 27). Это основной элемент семейства ТТЛ. Схемы включения двухвходовых логических элементов И-НЕ представлены в предыдущем разделе.

В данном разделе будут построены ЛЭ с различными логиче-скими функциями в базисе (на основе) элементов И-НЕ. При этом предполагается широкое использование временны́х диаграмм для наглядной иллюстрации работы разных логических элементов.

Работа двухвходового логического элемента И-НЕ иллюстри-руется на рис. 45.

Возможны следующие соче-тания входных сигналов:

— оба входных сигнала низ-кого уровня (А = 0, В = 0 в ин-тервале от t1 до t2 и затем после t5), сигнал на выходе — высокого уровня (Х = 1);

— один из входных сигна-лов высокого, другой — низкого уровня (А = 1, В = 0 в интервале Рис. 45. Временна́я диаграмма

работы логического элемента И-НЕ

A

X

t

t

Bt1 t2 t3 t4

t

Рис. 44. Повышение крутизны фронта и среза импульсов

&&DD1 DD2

AX1 X2

39

от t2 до t3 либо А = 0, В = 1 в интервале от t4 до t5), выходной сигнал — также высокого уровня (X = 1);

— оба входных сигнала — высокого уровня (А = В = 1 в интер-вале от t3 до t4), выходной сигнал — низкого уровня (Х = 0).

На рис. 46 некоторые способы использования логических эле-ментов И-НЕ с большим числом входных выводов, например, с тре-мя: А, В и С. Если задействуются только два входа (например, А и В), то на неиспользуемом входе надо поддерживать напряжение уровня логической единицы — нельзя оставлять вход свободным, как пока-зано на рис. 46, а. Несмотря на то, что открытые (неподключенные) входы логических элементов ТТЛ ведут себя как входы, на которые подано напряжение высокого уровня, использовать это обстоятель-ство нежелательно, так как возможно воздействие различных помех, а значит, снижается помехоустойчивость схемы.

Обычно неиспользуемые входы подключают к шине питания через резистор сопротивлением 1,0…3,3 кОм (рис. 46, в) либо к ста-билитрону с подходящим напряжением стабилизации, обеспечи-вающим напряжение высокого уровня (рис. 46, г). В первом случае разрешается объединять до 10 входов, во втором — до 30.

& X & XABC

ABC

& XABC

R Uп

1,0...3,3 кОм

& XAB

CR Uп

1,2 кVDKC133

3,3 B

& XABC

&

а б в

г д

Рис. 46. Логический элемент И-НЕ с тремя входами в роли двухвходового: а–д — различные способы подключения

неиспользуемого входного вывода

40

1.3.10. Логический элемент НЕ в базисе И‑НЕЛогический элемент, который обеспечивает инверсию (от англ.

inversion ‘переворачивание’) входного сигнала, называют элемен-том НЕ или инвертором. Логическая функция элемента НЕ и его таблица истинности были представлены ранее в разделе 1.1.1. На выходе инвертора напряжение высокого уровня, когда на входе действует напряжение низкого уровня, либо напряжение низко-го уровня, когда на входе напряжение высокого уровня (рис. 47). На рисунке нашло отражение то, что в реальных логических эле-ментах существует время задержки фронта t ′зд и среза t ″зд импульс-ного сигнала в микросхеме. Как правило, эти времена задержки различны по длительности, но близки по порядку величины. Часто достаточно ориентироваться на среднее время задержки импульс-ного сигнала tзд ср.

tt t

зд ср.зд зд�� � ��

2

Для ЛЭ универсальных серий ТТЛ оно примерно равно 10 наносе-кундам. Несмотря на то, что среднее время задержки чрезвычайно мало, иногда его приходится учитывать.

Для преобразования логического элемента в инвертор доста-точно соединить все входы (рис. 47, г).

&

1 1

XX

X X

A

A A

A = B

A = B

X

t

t

a

б

в гt′зд t″зд

Рис. 47. Инвертор: а — временна́я диаграмма работы; б, в — условное графическое обозначение в отечественной и зарубежной литературе;

г — реализация на основе логического элемента И-НЕ

41

1.3.11. Логический элемент И в базисе И‑НЕЛогический элемент И (схема совпадения) имеет на выходе на-

пряжение высокого уровня, когда на все его входы подается напря-жение логической единицы. Достаточно хотя бы на один из входов подать напряжение низкого уровня, как на выходе сразу возникнет напряжение логического нуля (см. разд. 1.1.1). Временная́ диаграмма работы логического элемента И с двумя входами А и В представлены на рис. 48. Задержкой выходного импульса относительно входного сигнала пренебрегаем.

На временной́ диаграмме нашли отражение следующие случаи: — на обоих входах напряжение низкого уровня (на рис. 47, а

А = 0, В = 0 в интервале t1…t2 и после t5); выходной сигнал при этом также равен логическому нулю (Х = 0, см. табл. 1.1);

— на одном входе сигнал высокого, а на другом — низкого уровня (А = 0, В = 1 в интервале t4…t5 или А = 1, В = 0 в интервале t2…t3); на выходе по-прежнему напряжение нулевого уровня (Х = 0);

— оба входных сигнала высокого уровня (А = 1 и В = 1 в интер-вале t3…t4); выходное напряжение — высокого уровня.

Все случаи представлены в табл. 1.1, в которую последней добав-лена строка, характеризующая инвертированный сигнал X.

Таблица 1.1Логические уровни сигналов в схеме на рис. 48

СигналИнтервал времени

t1…t2 t2…t3 t3…t4 t4…t5

А 0 1 1 0В 0 0 1 1

Х2 = Х 0 0 1 0Х1 = Х 1 1 0 1

Сравнивая две последние строки табл. 1.1, можно понять, как операцию И можно реализовать с помощью логического эле-мента И-НЕ: достаточно к его выходу подключить инвертор, постро-енный из такого же элемента И-НЕ, объединив его входы (элемент DD2 на рис. 48, г).

42

1.3.12. ПОВТОРИТЕЛЬПОВТОРИТЕЛЬ выполняет логическую операцию, при кото-

рой зависимость между входным (А) и выходным (Х) сигналами определяется таблицей истинности:

А Х0 01 1

ПОВТОРИТЕЛЬ передает логический сигнал от входа к выхо-ду без его изменения (только с временной задержкой выходного импульса, определяемой временем прохождения сигнала через ЛЭ от входа к выходу), как показано на временно ́й диаграмме рис. 49. Для ПОВТОРИТЕЛЯ, собранного из логических элемен-тов И-НЕ универсальных серий ТТЛ, задержка выходного сигнала относительно входного может составлять десятки наносекунд.

Часто в роли ПОВТОРИТЕЛЯ используют два инвертора из эле-ментов И-НЕ, включенных последовательно.

ПОВТОРИТЕЛЬ необходим в следующих случаях: — когда требуется задержка сигнала на короткое время (еди-

ницы-десятки наносекунд) без изменения логических уровней на-пряжения. Задержка выходного импульса относительно входного за счет двух логических элементов И-НЕ удваивается;

X1 = X

A

X

t

a

б

в

г

&

& &

B

A

BAB

A

B

X

X X

DD1 DD2X2 = X

t

t

t1 t2 t3 t4 t5

A

B

Рис. 48. Логический элемент И: а — временна́я диаграмма работы; б, в — условное графическое обозначение в отечественной и зарубежной литературе; г — реализация на основе двух логических элементов И-НЕ

43

— когда надо обеспечить требуемый коэффициент разветвле-ния по выходу без изменения логического уровня импульса.

Как отмечалось ранее, нормальная работа логического эле-мента И-НЕ возможна, если к его выходу подключено не более определенного числа Краз входов ЛЭ подобной серии. (Напомним, что Краз — коэффициент разветвления интегральной микросхемы (ИМС) по выходу.)

Для логического элемента И-НЕ универсальных серий ТТЛ коэффициент разветвления Краз = 10 (рис. 50, а). Для того чтобы одним ЛЭ управлять гораздо большим числом входов таких же ЛЭ (см. рис. 49, б), к его выходу DD1 подключается элемент DD2, а к тому — DD3 и DD4. Элемент DD2 инвертирует сигналы с вы-хода DD1, a DD3 и DD4 (также инверторы) позволяют подключать к каждому из их выходов еще по 10 входов.

1.3.13. Логический элемент ИЛИ в базисе И‑НЕЛогический элемент ИЛИ имеет на выходе напряжение высо-

кого уровня, если хотя бы на один из входов подается напряжение логической единицы (см. разд. 1.1.1). Временна́я диаграмма такого элемента представлена на рис. 51.

Выходной сигнал с напряжением высокого уровня присутствует в интервалах t1…t2, t3…t4, t5…t6, т. е. всегда, когда хотя бы на одном

&

1 XX AA

A

A

Xt

t

a

б в

г

& XDD1 DD2

t′зд t″зд

Рис. 49. Логический элемент ПОВТОРИТЕЛЬ: а — временна́я диаграмма работы; б, в — условное графическое

обозначение в отечественной и зарубежной литературе; г — реализация на основе логических элементов И-НЕ

44

из входов ЛЭ (а в интервале t6…t7 и на обоих) подано напряжение логической единицы.

Ранее в разд. 1.1.2 было показано, как с помощью теоремы Мор-гана можно построить логический элемент ИЛИ из элементов И-НЕ. Логическая схема такого элемента ИЛИ представлена на рис. 51, г. Элементы DD1 и DD2 инвертируют входные сигналы А и В, a затем DD3 выполняет операцию И-НЕ с инверсиями сигналов А и В. Вид-но, что когда на входах либо А, либо В (или на обоих одновременно)

Рис. 51. Логический элемент ИЛИ: а — временна́я диаграмма работы; б, в — условное графическое обозначение в отечественной и зарубежной литературе; г — реализация на основе трех логических элементов И-НЕ

X

A

X

t

a

б в

г

1

&

&

B

A

BAB

A

B

X X X

DD3

DD2

t

t

t1 t2 t3 t6 t8

A

B

&DD1

t4 t5 t7

A

B

&

&

&DD3

DD2

&DD9

&DD10

&DD3

DD1

1

2

8

9

&

&

DD2

DD1

1

2

34

89

&DD4

a б

к др

угим

ЛЭ

Рис. 50. Подключение к выходу логического элемента И-НЕ: а — до 10 входов ЛЭ стандартных ТТЛ и б — больше 10

45

действует напряжение логической единицы, на вход (входы) DD3 подается напряжение логического нуля. По принципу действия логического элемента И-НЕ напряжение низкого уровня хотя бы на одном из входов DD3 приводит к напряжению высокого уровня на его выходе. Только в случае, когда оба входных сигнала А и В низ-кого уровня, их инверсии будут высокого уровня, а напряжение на выходе DD3 — низкого (Х = 0), что и должно быть на выходе логического элемента ИЛИ.

1.3.14. Логический элемент ИЛИ‑НЕ в базисе И‑НЕЛогический элемент ИЛИ-НЕ (схема ИЛИ с инверсией выходно-

го сигнала) выполняет логическую операцию Пирса (см. разд. 1.1.2). Он отличается от элемента ИЛИ наличием инвертора на выходе, поэтому здесь выходные сигналы инверсны сигналам элемента ИЛИ: когда хотя бы на один из входов подано напряжение единичного уровня, на выходе будет напряжение низкого уровня. Это можно видеть на рис. 52, а, где показаны временные́ диаграммы выходных сигналов в зависимости от входных для двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ. В интервалах времени t1…t4, t5…t6 и t7…t8, когда один из входных сигналов или оба одновременно имеют напряже-ние единичного уровня, на выходе существует напряжение нуле-вого уровня. Легко убедиться, что добавление инвертора на выход

X

A

X

t

a

б в

г

1

&

&

B

A

BAB

A

B

X X X

DD3

DD2

t

t

t1 t2 t3 t6 t8

A

B

&DD1

t4 t5 t7

X&DD4

A

B

Рис. 52. Логический элемент ИЛИ-НЕ: а — временна́я диаграмма работы; б, в — условное графическое обозначение в отечественной

и зарубежной литературе; г — реализация из четырех ЛЭ И-НЕ

46

логического элемента ИЛИ (рис. 51, г) превращает его в логический элемент ИЛИ-НЕ (рис. 52, г).

1.3.15. Логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в базисе И‑НЕЛогический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (схема сравне-

ния двух логических сигналов) достаточно подробно описан ра-нее в разд. 1.1.3. Это элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ — он имеет на выходе напряжение низкого уровня, когда логические уровни сигналов на обоих входах одинаковы (А = В = 1 либо А = В = 0). Если уровни входных сигналов различаются, т. е. А ≠ В, то на выходе действует напряжение высокого уровня (рис. 53, а). На выходе X напряжение логического нуля существует в интервалах t0…t1, t2…t3, t4…t5, а также после t6, в течение которых оба входных напряжения А и В одновременно равны 0 или 1.

Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ может быть построен из двух-входовых логических элементов И-НЕ по  схеме, показанной на рис. 53, г, причем DD1 и DD2 включены как инверторы, a DD3, DD4 и DD5 используются как элементы И-НЕ. Действие логической схемы на рис. 53, г можно проследить по табл. 1.2 при различных

Рис. 53. Логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ: а — временна́я диаграмма работы; б, в — условное графическое

обозначение в отечественной и зарубежной литературе; г — реализация на основе логических элементов И-НЕ

A

X

t

a

бв

г

= 1

&

&

B

AB

A

B

X X

DD3

DD2t

t

t1 t2 t3 t6 A

B

&DD1

t4 t5

X&DD5

A

B

&DD4

комбинациях логических уровней входных сигналов А и В. Инверс-ные значения А и В присвоены сигналам на выходах инверторов DD1 и DD2. Сигнал на выходе DD3 можно определить, если иметь в виду, что на его входах действуют сигналы A и В, а сам он явля-ется логическим элементом И-НЕ. Аналогично действует и DD4, но для входных сигналов А и B. Выходные напряжения элементов DD3, DD4, полученные на основе их таблицы истинности (для ло-гического элемента И-НЕ), — это входные сигналы элемента DD5, который тоже является элементом И-НЕ. Выходное напряжение элемента DD5 (X) является выходным сигналом всей схемы.

Логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ) могут применяться для сравнения ло-гических уровней двух сигналов. Также этот логический элемент является одноразрядным сумматором двоичных чисел без переноса единицы в следующий более старший разряд. Его таблица истин-ности фактически является таблицей сложения одноразрядных двоичных чисел:

Таблица 1.2Логические уровни в схеме на рис. 53, г

A B A B выход DD3 выход DD4 Х0 0 1 1 1 1 01 0 0 1 1 0 10 1 1 0 0 1 11 1 0 0 1 1 0

Таблица 1.3Сложение двоичных чисел

А В X0 0 01 0 10 1 11 1 0

48

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ  ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Мультивибратор является электронным устройством, которое обладает наличием двух временно устойчивых (квазиустойчивых) состояний, чередующихся между собой. Чередование состояний происходит благодаря процессам периодического заряда и раз-ряда конденсатора через резистор. Эти два пассивных элемента электрических цепей являются времязадающими компонентами мультивибратора, определяющими частоту периодических переклю-чений его состояний. Временная устойчивость состояний приводит к тому, что мультивибратор генерирует импульсы, по форме близкие к прямоугольным.

2.1. Мультивибратор на инверторах

На рис. 54 приведены электрическая схема и зависимости вы-ходных напряжений от времени простейшего мультивибратора, состоящего только из двух логических элементов И-НЕ. Схема ра-ботает благодаря периодическому перезаряду конденсатора С через резистор R. Если, например, на выходе DD1 напряжение высокого уровня, то на выходе DD2 — низкого. Это происходит за счет того, что DD2 инвертирует выходное напряжение DD1. Если конденса-тор до этого момента был не заряжен, то начнется заряд верхней

49

обкладки конденсатора С высоким положительным напряжением, источником которого является выход элемента DD1. В этот момент нижняя обкладка конденсатора подключена к низкому уровню напряжения (близкого к нулю) на выходе элемента DD2. Время заряда конденсатора до высокого уровня напряжения будет опре-деляться величиной тока заряда, который, в свою очередь, зависит от сопротивления резистора R и выходного сопротивления ЛЭ. Напряжение на конденсаторе по мере заряда стремится к высоко-му уровню. Но когда оно увеличится до значения Uпop = 1,3…1,5 В (пороговое напряжение ЛЭ), состояние логического элемента DD1 инвертируется, и напряжение на его выходе станет низкого уров-ня. Сразу же инвертируется и состояние DD2, на выходе которо-го теперь возникнет напряжение высокого уровня. Напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно (так как цепь заряда-разряда конденсатора обладает сопротивлением). Сразу после переключения на входе DD1 продолжает действовать напря-жение, превышающее пороговое для ЛЭ, потому что к напряжению на конденсаторе прибавляется высокий уровень напряжения с вы-хода переключившегося элемента DD2. В начальный момент (сразу после последовательного переключения элементов) на входе эле-мента DD1 напряжение равно: UС = Uпop плюс уровень напряжения логической единицы с выхода DD2, т. е. приблизительно (1,3…1,5) + + (3,5…4,0) В. Поэтому в начальный момент после переключения элементов на выходе DD1 сохраняется напряжение низкого уров-ня. Но конденсатор начинает перезаряжаться. Теперь к его верх-ней обкладке поступает напряжение нулевого логического уровня, а к нижней обкладке — высокого (единичного) уровня. При разряде конденсатора до порогового напряжения элемент DD1 снова инвер-тирует свое состояние. Следует новый заряд конденсатора, и т. д.

Период генерируемых импульсов определяется в основном па-раметрами RС-цепи:

T ≈ 2,3 RC,

при этом сопротивление peзистора должно быть в пределах 240 Ом < R < 470 Ом.

50

Форма импульсов существенно отличается от прямоугольных (см. рис. 54) из-за влияния RС-цепи на входное и выходное со-противления и емкость ЛЭ. Поэтому для приближения формы импульсов к прямоугольной применяют дополнительные ЛЭ в ка-честве буферных элементов. Усилители этих ЛЭ согласуют сопро-тивления входов и выходов с полным сопротивлением RС-цепи. Иногда просто формируют прямоугольные импульсы с помощью дополнительных ЛЭ, подключаемых к выходам мультивибратора (на рис. 54 показаны штрихами).

2.2. Одновибратор на логических элементах И‑НЕ

Ждущие мультивибраторы (одновибраторы) являются электрон-ными устройствами с одним временно устойчивым (квазиустой-чивым) состоянием. Эти устройства необходимы для получения импульсов прямоугольной формы заданной длительности, которые должны вырабатываться с приходом на вход ждущего мультивибра-тора пускового импульса. При появлении на входе одновибратора запускающего импульса он переходит из основного (в котором пос-тоянно находится в ждущем режиме) в квазиустойчивое состояние. Длительность временно устойчивого состояния зависит главным образом от времязадающих компонентов R и С. Квазиустойчивое состояние заканчивается, когда напряжение на конденсаторе до-стигает порога переключения ЛЭ, после чего одновибратор скачком возвращается в основное состояние.

t

t

C

R

&DD4

&DD3&

DD1

&DD2

Q

Q

Q1

Q1

UQ

UQ

τ

Рис. 54. Мультивибратор с двумя элементами И-НЕ

51

Простейший ждущий мультивибратор на логическом элементе И-НЕ содержит только два элемента (рис. 55).

Элемент DD1 используется по прямому назначению, причем его нижний вход А предназначен для подачи входных пусковых импуль-сов. Логический элемент DD2 включен как инвертор и предназначен для создания обратной связи, а также как буферный усилитель для согласования выходного сопротивления ЛЭ с нагрузкой. В ис-ходном (ждущем) состоянии на входах DD2 напряжение низкого уровня, так как вход инвертора соединен с общей шиной через рези-стор R сопротивлением 470 Ом, через которое конденсатор разряжен до нуля (потенциал общей шины). На выходе инвертора DD2 потен-циал высокого уровня. До поступления на вход А импульса низкого уровня (до момента t1, см. рис. 55) на обоих входах DD1 напряжение логической единицы, а на выходе — низкого уровня. Конденсатор С разряжен. Когда на вход А будет подан сигнал логического нуля (момент t1), на выходе DD1 появится напряжение высокого уровня и конденсатор С начнет заряжаться током IC, как показано на схеме устройства.

Первоначально (спустя несколько наносекунд после прихода входного импульса) зарядный ток максимален, и вследствие зако-на Ома падение напряжения на резисторе UR также максимально. Однако по мере заряда конденсатора на нем накапливается все больший заряд и зарядный ток IC спадает. Падение напряжения на резисторе R (UR = R · IC) также уменьшается, и когда оно снизится

Рис. 55. Ждущий мультивибратор с двумя ЛЭ И-НЕ

t

t

C

R

Q

QIC

UR

τи

A

UR VD

&DD1

&DD2

tt1 t2

t3

tвх

UA

Uпор

52

до порогового напряжения ЛЭ (момент t2 на временно́й диаграм-ме), инвертор DD2 переключится и на его выходе снова появится напряжение логической единицы высокого уровня. Если к этому моменту времени сигнал нулевого уровня на входе А уже закон-чился, то на обоих входах элемента И-НЕ DD1 будет напряжение высокого единичного уровня, а на выходе — низкого. Это приведет к быстрому разряду конденсатора через диод VD и открытый выход-ной транзистор элемента DD1 (см. принцип действия логического элемента И-НЕ ТТЛ). Таким образом, ждущий мультивибратор вер-нется в исходное состояние. Из принципа действия представленной схемы одновибратора следует, что входной импульс должен быть короче выходного. В противном случае длительность выходного импульса будет равна длительности входного.

Длительность импульса (от момента t1 до момента t3), генериру-емого одновибратором, определяется значениями R и С:

τи = 0,75 RC.

При этом надо помнить об ограничениях на значения сопро-тивления резистора 100 Ом < R < 500 Ом.

2.3. Интегральный одновибратор ИМС К155АГ1

Интегральная микросхема ТТЛ-серии К155АГ1 является одноканальным ждущим мультивибратором (рис. 56). Одновибратор формирует на своих выходах Q и Q калиброванные по амплитуде и длительности импульсы хорошей стабильности. Микросхема содержит ячейку памяти D-триггер с  двумя выходами Q и Q. Оба выхода имеют наружные выводы (6 и 1 соответственно). Благодаря этому разработчик может получить от микросхемы сформированный парафазный импульс — пару сихронизированных во  времени и  длительности импульсов с  противоположными логическими значениями. Триггер имеет три раздельных импульсных входа логического управления через элемент Шмидта. Вход B (активный перепад — положительный) позволяет осуществлять прямой запуск триггера (фронтом импульса), а входы А1 и А2 —

53

инверсные (активный перепад — отрицательный) — позволяют запускать триггер срезом импульса.

Сигнал сброса триггера, т. е. окончания импульса, формируется с помощью внешнего RC-звена: времязадающий конденсатор Cτ подключается между выводами 10 и 11 микросхемы, внешний ре-зистор Rτ включается между выводом 11 и положительной шиной питания 5 В (см. рис. 56, б).

На кристалле микросхемы (между выводами 11 и 9) имеет-ся интегральный резистор Rвн с номиналом 2 кОм. Если требу-емый номинал Rτ < Rвн, то можно использовать только Rвн (т. е. подать напряжение питания 5 В на вывод 9 и подключить Cτ между  10 и 11 выводами).

Зависимость длительности импульса одновибратора τвых от ве-личин Cτ и Rτ представлена диаграммой (рис. 56, в).

Длительность τвых можно не только определить по диаграмме, но и вычислить:

τвых = CτRτln2 = 0,7 CτRτ.

Если отсутствуют внешние элементы Cτ, Rτ, т. е. Rτ → ∞ и Cτ → 0, длительность τвых будет менее 35 наносекунд. Длительность импульса слабо зависит от температуры и напряжения питания. Желательно включение фильтров в цепь питания микросхемы.

В табл. 2.1 приведена подборка всех сигналов логического управ-ления одновибратором К155АГ1.

Таблица 2.1Управляющие и выходные сигналы одновибратора К155АГ1

Вход Выход Вход ВыходA1 A2 B Q Q A1 A2 B Q QН × В Н В ↓ В В

× Н В Н В ↓ ↓ В

× × Н Н В Н × ↑

В В × Н В × Н ↑

В ↓ В

54

Первые четыре строки показывают статические выходные уров-ни Q и Q (исходное состояние триггеров) в зависимости от ста-тических уровней на входах A1 и A2. Оставшаяся часть таблицы содержит пять способов генерации одного выходного импульса и указывает логический уровень сигналов на выходах Q и Q. Выход-ной сигнал с длительностью τвых получается при подаче фронта им-пульса на вход В (стрелка вверх в последних двух строках таблицы) или при появлении среза импульса на входе A1 (или A2) (стрелка вниз в пятой и шестой строках) или на обоих входах A1 и A2 с низким

а

б в

Q

&R T

D

1 2 3 4 5 6 7

14 13 12 11 10 9 8

К155АГ1

5 В

A1 A2 B Q

Bвн

Rвн 2К

QQ

CτRτ, Cτ

3

4

5

6

1

7 10 11

&

DD1 К155АГ1

G1 S

Rτ

Cτ

Q

QA1

A2

B

5 В

14

1 2 3 5 10 20 30 Rτ, кОм

10–3

10–1

10–5

1

τвых, мс

0,01 мФ

100 пФ

1000 пФ

0,1 мФC τ

= 1 мФ

10 пФ

Рис. 56. Одновибратор К155АГ1: а — схема включения; б — условное графическое обозначение; в — зависимость длительности

выходного импульса от емкости Cτ и сопротивления Rτ

активным перепадом (седьмая строка). На неиспользуемые входы надо подавать статические сигналы напряжения в соответ ствии с последними пятью строками табл. 2.1 (В — высокий уровень статического напряжения, Н — низкий). В можно использовать как разрешающий (с высоким уровнем).

Одновибратор АГ1 нельзя запустить заново, пока не истекло вре-мя τвых. Запущенный одновибратор при этом не реагирует на вход-ные сигналы A1, A2 и В. Схема с триггером Шмидта надежно запу-скается по входу В даже при медленно нарастающем запускающим напряжении (например, при скорости нарастания фронта 1 В/с).

Диаграммы выходных запускающих по входам A и В импуль-сов приведены на рис. 57. Здесь для стандартного исполнения ТТЛ средний уровень переключения Uср = 1,3 В, для варианта LS уровень Uср = 1,5 В; условия нагрузки: CН = 15 пФ, RН = 400 Ом.

Рис. 57. Диаграммы запуска мультивибратора К155АГ1: а — срезом импульса; б — фронтом импульса

а б

Uср

Uср

Uср

UA

UQ

UQ

t зд.р = 80 нсвн

t зд.р = 70 нснв

Uср

Uср

Uср

UВ

UQ

UQ

t зд.р = 65 нсвн

t зд.р = 55 нснв

56

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ И ПОСТРОЕНИЕ НА ИХ ОСНОВЕ 

МУЛЬТИВИБРАТОРОВ И ОДНОВИБРАТОРОВ

Ц е л ь р а б о т ы: изучение базовых логических элементов и по-строение на их основе мульвибратора и одновибратора.

В  лабораторной работе выполняются задания на  сменных устройствах печатных плат на цифровых интегральных микросхемах серии 155 с логическими элемнтами И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ и логических схемах, составленных на их основе.

Задание 1. Изучение цифровых интегральных схем И, ИЛИ, НЕ, РАВНОЗНАЧНОСТЬ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, размещенных на логических микросхемах D1–D5 (см. принципиальную электри-ческую схему сменного устройства УС12).

Сигналы управления на входы исследуемых логических интег-ральных микросхем подаются (см. Прил. 1 «Описание комплекта К32») нажатием кнопок «1»–«4» и «7»–«12» программатора кодов. Выходные сигналы отображаются на цифровом табло в двоичном коде или исследуются с помощью мультиметра или осциллографа.

Исследовать опытным путем логические элементы микросхем D1–D5 и по полученным результатам составить их таблицы истинности.

При исследовании микросхемы D1 (К155ЛЛ1  — 4 элемента 2ИЛИ) используются кнопки «7», «8» программатора кодов, выход-ной сигнал отображается на левом цифровом табло (1-й разряд) в двоичном коде.

57

При исследовании микросхемы D2 (К155ЛА4 — 3 элемента 3И-НЕ) используются кнопки «9», «10», «11» программатора кодов, выходной сигнал отображается на левом цифровом табло (2-й раз-ряд) в двоичном коде.

При исследовании микросхемы D3 (К155ЛН1 — 6 элементов НЕ) используются кнопка «12» программатора кодов, выходной сигнал подается на мультиметр (осциллограф) с гнезда XS1 на плате.

При исследовании микросхемы D4 (К155ЛП5 — 4 двухвходовых элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) используются кнопки «1», «2» программатора кодов, выходной сигнал отображается на левом цифровом табло (3-й разряд) в двоичном коде.

При  исследовании микросхемы D5 (155ЛЕ1  — 4  элемента 2ИЛИ-НЕ) используются кнопки «3», «4» программатора кодов, выходной сигнал отображается на левом цифровом табло (4-й раз-ряд) в двоичном коде.

Задание 2. Исследование комбинаторных схемИсследуется работа цифровых логических схем, составленных

на базе цифровых интегральных микросхем логических элементов И, ИЛИ, И-НЕ (см. принципиальную электрическую схему сменного устройства УС13).

В работе на входы исследуемых комбинаций элементов логиче-ских ИС D1, D2 нажатием кнопок «1»–«12» программатора кодов подаются логические сигналы («0»–«1»). Выходные сигналы отобра-жаются на левом цифровом табло в двоичном коде.

Исследовать выполняемые комбинациями элементов цифровых микросхем D1–D4 логические функции и составить их таблицы истинности.

Схема, собранная на базе элементов цифровых ИС D1, D3.1, D2.5, исследуется с помощью кнопок «1»–«4» программатора ко-дов, выходной сигнал отображается на левом цифровом табло (1-й разряд) в двоичном коде. Промежуточные выходы схемы (гнезда на печатной плате XS1, XS2, XS9) подключаются к мультиметру (осциллографу).

Схема, собранная на базе элементов цифровых ИС D1, D3.1, D3.2, D2.6, D3.4, исследуется с помощью кнопок «1»–«8» программатора

58

кодов, выходной сигнал отображается на левом цифровом табло (2-й разряд) в двоичном коде. Промежуточные выходы схемы (гнезда на печатной плате XS13, XS4, XS10) подключаются к мультиметру (осциллографу).

Схема, собранная на базе элементов цифровых ИС D2.1…D2.4, D4.1, D4.2, D3.3, исследуется с помощью кнопок «9»–«12» програм-матора кодов, выходной сигнал отображается на левом цифровом табло (3-й и 4-й разряды) в двоичном коде. Промежуточные выходы схемы (гнезда на печатной плате XS5, XS6, XS7, XS8, XS11) подклю-чаются к мультиметру (осциллографу).

Микросхемы D1–D4 сменного устройства УС13 содержат сле-дующие логические элементы:

D1 — К155ЛЕ1 — 4 элемента 2ИЛИ-НЕ;D2 — К155ЛН1 — 6 элементов НЕ;D3 — К155ЛЛ1 — 4 элемента 2ИЛИ;D4 — К155ЛА3 — 4 элемента 2И-НЕ.

Задание 3. Изучение работы мультивибраторов и одновибра‑торов

Исследуется работа мультивибратора и одновибратора, исполь-зующих логические элементы ИС НЕ, И-НЕ, и одновибратора в ин-тегральном исполнении (см. принципиальную электрическую схему сменного устройства УС13). В работе изучается принцип действия генератора прямоугольных импульсов, собранного из элементов логической интегральной микросхемы D7 (К155ЛН1), принцип действия одновибратора, собранного на логических элементах ин-тегральной микросхемы D9 (К155ЛА8), и одновибратора в интег-ральном исполнении ИС D8 (К155АГ1).

Одновибратор D9 (выводы 2, 3 — D9.1) запускается выходным сигналом мультивибратора D7 (выход 6 — D7.3).

Сигналы управления одновибратора D6 подаются с помощью кнопок «9»–«14» программатора кодов. Выходные сигналы исследу-ются с помощью мультиметра (осциллографа). Необходимые цепи подключаются ко входу мультиметра (осциллографа) с помощью коммутатора.

На всех каналах прохождения импульсов КПИ1–КПИ10 (кроме КПИ2 и КПИ8), при исследовании мультивибратора D7 и одно-вибратора D9, измерить амплитуду U, период Т и длительность τи сигналов. Каналы прохождения импульсов (КПИ) связаны со вхо-дами и выходами микросхем D7, D9 и подключаются к мультиметру (осциллографу) с помощью коммутатора внешних устройств (см. описание комплекта К32).

В работе одновибратор в интегральном исполнении D8, выпол-ненный на микросхеме К155АГ1 (см. рис. 56 и описание микросхемы в разд. 2.3).

Исследовать работу ждущего мультивибратора D8, следуя таб-лице управления и сигналов (см. в разд. 2.3).

При исследовании работы одновибратора D8 измерить амплиту-ду U, период Т и длительность τи запускающих и выходных сигналов одновибратора на внешних гнездах XS12, XS13, XS14, XS15 сменной платы и на каналах прохождений импульсов КПИ8, КПИ2, под-ключаемых к мультиметру или осциллографу. Зарисовать осцилло-граммы исследуемых сигналов. Проанализировать полученные результаты и сравнить их с результатами табл. 2.1 в разд. 2.3.

В работе используются микросхемы:D5 — К155ЛИ1 — 4 элемента 2И;D6 — К155ЛЛ1 — 4 элемента 2ИЛИ;D7 — К155ЛН1 — 6 элементов НЕ;D8 — К155АГ1 — одновибратор в интегральном исполнении;D9 — К155ЛА8 — 4 элемента 2И-НЕ с открытым коллекторным

выходом.

60

3. ТРИГГЕРЫ

Триггеры являются импульсными устройствами и предназначе-ны для запоминания одного бита двоичной информации.

Триггеры представляют собой большой класс электронных устройств, которые могут длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и изменять их под воздействием внешних сигналов.

По функциональному признаку (способу переключения триг-гера сигналом управления) различают Т-триггеры, JK-триггеры, RS-триггеры, D-триггеры и т. д.

По способу записи информации триггеры подразделяются на синхронные и асинхронные.

В асинхронных триггерах изменение состояния происходит сразу с поступлением сигнала управления на информационный вход. Асинхронные триггеры бывают:

а) с внутренней задержкой переключения;б) управляемые статическим уровнем входного импульса.Синхронный триггер переключается только в момент появления

тактирующего импульса — сигнала на специальном входе синхро-низации. Синхронные триггеры бывают:

а) с внутренней задержкой выходного сигнала;б) управляемые уровнем тактирующего импульса.

61

Триггеры позволяют реализовывать устройства памяти, а также широко используются для построения цифровых устройств, таких как счетчики, последовательные порты, преобразователи «последо-вательного кода в параллельный», цифровые фильтры, применяемые в линиях задержки.

Напомним, что простейший триггер имеет два входа и два вы-хода. Выходы принято обозначать латинскими буквами Q и Q. Вы-ход Q называют прямым, a Q — инверсным. Уровни напряжения на обоих выходах взаимно инверсны: если сигнал Q = 1, то Q = 0, либо если Q = 0, то Q = 1. Состояние триггера, при котором Q = 1, a Q = 0, называют единичным. В нулевом состоянии Q = 0 и Q = 1. При поступлении сигналов управления на входы триггера либо происходит переключение, либо сохраняется исходное состояние. Результат зависит от предыдущего состояния триггера. В зави-симости от функциональной связи между сигналами на входах и выходах триггеры в интегральном исполнении имеют следующие наименования: RS, RS, D, Т, JK и нек. др. Теми же буквами обозна-чают и входы триггеров.

Простейшая схема, позволяющая запоминать двоичную инфор-мацию, может быть построена на двух последовательно включенных инверторах. Общепринято контур из двух инверторов изображать в виде так называемой «защелки», логическая схема которой при-ведена на рис. 58.

Такое изображение контура из двух инверторов показывает на-личие положительной обратной связи между ними. Действительно, если логическая единица находится на выходе Q, то на инверсном выходе Q триггера будет логический ноль, который после инвер-тирования приводит (подтвер-ждает) к уровню логической еди-ницы на выходе Q. И наоборот, если на выходе триггера Q при-сутствует ноль, то на инверсном выходе Q будет уровень логиче-ской единицы.

Если не выключать питание электрической схемы защелки,

1

1

Q

Q

Рис. 58. Схема простейшего триггера-защелки, построенного

на двух инверторах

62

то установившееся на выводах защелки одно из двух состояний бу-дет сохраняться неизменным. Так как схема защелки симметрична, включая и выключая напряжение питания схемы, можно на выходах получить одно из двух равновероятных состояний: 1, 0 или 0, 1. Однозначную запись одного бита информации можно получить, создав входы записи нуля и записи единицы.

3.1. RS‑триггеры

RS-триггер, или триггер с установочными входами, получил свое название по обозначениям входов. Подключением на вход S (англ. set ‘установить’) напряжения уровня логической единицы устанавливается выход Q (англ. quit ‘выход’) в состояние логической единицы. (Установить логическую единицу на выход Q означает записать в триггер логическую единицу). Подача логической едини-цы на вход R (англ. reset ‘сбросить’) позволяет сбрасывать выход Q в нулевое состояние.

Поскольку у инверторов только один вход, то для реализации RS-триггера можно воспользоваться двухвходовыми элементами 2ИЛИ-НЕ или элементами 2И-НЕ. Логическая схема, построенная на элементах 2И-НЕ, приведена на рис. 59.

Рассмотрим подробнее действие схемы триггера, изображен-ной на рис. 59. Пусть на входы R и S подаются единичные потен-

циалы. Если на выходе верхнего логического элемента 2И-НЕ Q присутствует ноль, то на выходе нижнего элемента 2И-НЕ долж-на находиться логическая едини-ца. Эта единица соответствует нулю на выходе Q. Если на вы-ходе верхнего элемента 2И-НЕ Q первоначально присутствует логическая единица, то на выхо-де нижнего элемента 2И-НЕ бу-дет логический ноль. Этот ноль

Q

Q

&

&

R

S

T

R

SQ

Q

а б

Рис. 59. RS-триггер на элементах 2И-НЕ: а — схема; б — условное

графическое изображение. Входы R и S инверсные (активный,

т. е. переключающий уровень напряжения — низкий)

63

соответствует логической единице на выходе Q. Таким образом, при единичных уровнях напряжения на входах R и S, схема RS-триг-гера устойчиво хранит свое исходное состояние, другими словами, находится в режиме хранения информации.

Подадим на вход S триггера нулевой уровень напряжения, а на вход R единичный. Согласно таблице истинности элемента 2И-НЕ на выходе Q появится единичный потенциал. Это приведет к по-явлению на инверсном выходе Q триггера напряжения нулевого логического уровня. Теперь, даже если снять нулевой потенциал с входа S, на основном выходе Q триггера останется единичный потенциал, т. е. мы записали в триггер логическую единицу.

Точно так же можно записать в триггер и логический ноль. Для этого следует на вход R установить низкий уровень напряжения, а на вход S — высокий.

Чтобы составить правильное представление о триггерах с уста-новочными входами, получим с помощью логических выражений таблицу истинности устройства. В случае триггеров она называется таблицей переключений. Для триггера, реализованного на основе защелки из двух логических элементов И-НЕ, запишем логические уравнения выходов, используя соответствующие уравнения входя-щих в триггер ЛЭ и обозначив логические переменные на их входах как Х1 для верхнего входа и Х2 — для нижнего (см. рис. 59):

Q = X Q1 ⋅  — логическое уравнение основного выхода;

Q = X Q2 ⋅  — логическое уравнение инверсного выхода.

Для получения полной таблицы переключений триггера под-ставим в уравнения все возможные комбинации пар входных ло-гических переменных:

1) X1 = 0, X2 = 1; Q Q� � � �0 0 1, Q Q� � � � � �1 1 1 1 0.

При такой комбинации входов происходит установка триггера, так как на основном входе у него логическая единица, а на инверс-ном — 0.

2) X1 = 1, X2 = 0; Q Q Q Q� � � � � � � � � �0 0 1 1 1 1 1 0, .

64

Очевидно, что такой комбинацией входов мы сбросили триггер в ноль.

3) X1 = 1, X2 = 1; Q Q Q Q, Q Q Q� � � � � � �1 1 .

Видно, что входная комбинация 1, 1 переводит триггер в режим хранения.

4) X1 = 0, X2 = 0; Q Q Q Q� � � � � � � �0 0 1 0 0 1, .

Таким образом, при нулевых значениях переменных на обоих входах выходные значения триггера не определены, т. е. такую вход-ную комбинацию на триггер из элементов И-НЕ подавать нельзя. Состояние Q = 1, Q = 1 считается неопределенным, а входная ком-бинация X1 = 0, X2 = 0 называется запрещенной.

Необходимо отметить, что триггер типа RS (триггер с установоч-ными входами), построенный из элементов И-НЕ, устанавливается нулевым уровнем напряжения по входу Х1 и сбрасывается нулевым напряжением по входу Х2. Таким образом, Х1 — это вход установки S с активным (переключающим) низким уровнем напряжения, а Х2 — вход сброса R с активным низким уровнем напряжения. Поэтому этот триггер называют RS-триггером и говорят, что у него инверсные входы и что он управляется нулями.

Работа RS-триггера характеризуется таблицей переключений (индексы n и n+1 означают принадлежность сигнала моменту вре-мени tn и следующему за ним tn+1):

Таблица 3.1Таблица переключений RS‑триггера

R S Qn+1 Qn+1

1 1 Qn Qn

1 0 1 00 1 0 10 0 неопределенное состояние

Не разрешается одновременная подача напряжения низкого уровня на оба входа RS-триггера.

65

Триггер с установочными входами можно построить и на двух-входовых логических элементах 2ИЛИ-НЕ. Схема RS-триггера, по-строенного на логических элементах 2ИЛИ-НЕ, приведена на рис. 60.

Единственное отличие в работе этой схемы триггера будет за-ключаться в том, что его сброс и установка будут производиться единичными логическими уровнями. Эти особенности реализации схемы триггера связаны с принципами работы инверсной логики ИЛИ-НЕ, которые рассматривались ранее.

Проведем подробный ана-лиз работы триггера, построен-ного из логических элементов ИЛИ-НЕ. Получим с помощью логических уравнений таблицу переключения триггеров с эле-ментами ИЛИ-НЕ. Для  этого запишем логические уравнения выходов, используя уравнения элементов 2ИЛИ-НЕ. Обозна-чим логические переменные на их входах как Х1 для верхнего входа и Х2 — для нижнего (см. рис. 60).

Q = X + Q1  — логическое уравнение основного выхода;

Q = X +Q2  — логическое уравнение инверсного выхода.

Для получения полной таблицы переключений триггера под-ставим в уравнения все возможные комбинации пар входных ло-гических переменных:

1) X1 = 0, X2 = 1; Q Q Q Q� � � � � � � � � �1 1 0 0 0 0 0 1, .

При такой комбинации входов происходит установка триггера, так как на основном входе у него логическая единица, а на инверс-ном — 0.

2) X1 = 1, X2 = 0; Q Q Q Q� � � � � � � �1 1 0 0 0 1, .

Рис. 60. RS-триггер на логических элементах 2ИЛИ-НЕ:

а — схема и б — условное графическое изображение.

Входы R и S имеют высокий активный уровень

Q

Q

1

1R

S T

R

S

Q

Q

а б

66

Очевидно, что такой комбинацией входов мы сбросили триггер в ноль.

3) X1 = 1, X2 = 1; Q Q Q Q� � � � � � � �1 1 0 1 1, 0.

Таким образом, при единичных значениях входных переменных выходные значения триггера не определены, т. е. такую входную комбинацию на триггер из элементов ИЛИ-НЕ подавать нельзя. Состояние Q = 0, Q = 0 считается неопределенным, а входная ком-бинация X1 = 1, X2 = 1 будет запрещенной для триггера из базисных элементов ИЛИ-НЕ.

4) X1 = 0, X2 = 0; Q 0 + Q Q Q,= = = Q 0 + Q Q= = .

Видно, что входная комбинация 0, 0 переводит триггер в режим хранения.

Необходимо подчеркнуть, что триггер типа RS (триггер с уста-новочными входами), построенный из элементов ИИЛ-НЕ, уста-навливается единичным уровнем напряжения по входу Х1 и сбра-сывается единичным напряжением по входу Х2. Таким образом, Х1 — это вход сброса R с активным высоким уровнем напряжения, а Х2 — вход сброса S с активным высоким уровнем напряжения. Поэтому именно этот триггер называют RS-триггером. В противо-положность RS-триггеру, управляемому нолями, RS-триггер управ-ляется единицами. При изображении схемы защелки из элементов ИЛИ-НЕ с установочными входами вход установки триггера в еди-ницу располагается напротив инверсного вывода (рис. 60).

Так как RS-триггер при построении его на логических элементах 2И-НЕ или 2ИЛИ-НЕ работает одинаково, то его условное графи-ческое изображение на принципиальных схемах тоже одинаково (см. рис. 59, 60). Логический анализ, проведенный выше, позволяет построить таблицу переключений RS-триггера.

Таблица 3.2Таблица переключений RS‑триггера

Rn Sn Qn+1 Qn+1

0 0 Qn Qn

0 1 1 0

67

Rn Sn Qn+1 Qn+1

1 0 0 11 1 неопределенное состояние

Не разрешается одновременная подача напряжения высокого уровня на оба входа RS-триггера.

3.2. Временны́е диаграммы работы RS‑триггеров

Триггеры являются импульсными устройствами с двумя уров-нями напряжения, соответствующими логическому нулю (низкий) и логической единице (высокий). Все триггеры относятся к так называемым «последовательностным» устройствам. Они характе-ризуются тем, что их переключение зависит не только от наличия соответствующих управляющих сигналов, но и от их предыдущих состояний. Частота поступления импульсов в современных циф-ровых схемах достаточно высока, что весьма затрудняет их анализ. В этом случае как в логических комбинаторных схемах, составлен-ных из различных ЛЭ, так и в схемах, содержащих триггеры, можно использовать временны́е диаграммы их работы.

Покажем, как предыдущее состояние триггера влияет на его переключение при чередовании входных управляющих импульсов напряжения. Для конкретного анализа рассмотрим временные́ диа-граммы RS-триггеров обоих типов совместно с их схемами (рис. 61, 62). На рис. 61 показан простейший триггер — типа RS. Здесь ис-пользованы только два логических элемента И-НЕ.

Из предыдущего раздела известно назначение входов: S — для установки триггера в единичное состояние и R — для сброса в нулевое состояние. Черта над обозначениями входов показывает, что переключение триггера будет происходить в моменты времени, когда входное напряжение высокого уровня сменяется напряже-нием низкого уровня, т. е. в моменты «среза» импульса (перепады напряжения от высокого к низкому в импульсной технике называют срезами импульсного сигнала). Можно видеть, что, когда на входы

Окончание табл. 3.2

68

не поступают сигналы «среза», триггер не переключается (сохраняет свое состояние, например, до момента времени t1). Однако почему он не переключился в момент времени t1, когда появился срез импульса на входе S, если, как на рис. 61, а, Q = 1 и Q = 0, т. е. триггер установ-лен в единичное состояние? Поскольку выход DD1 связан с верхним входом DD2, а выход DD2 — с нижним входом DD1, на двух входах DD2 находится напряжение высокого, а на его выходе — низкого (Q = 0) уровня. В то же самое время на нижнем входе DD1 напряже-ние низкого уровня, а на выходе — высокого. Если теперь на вход S поступает сигнал среза (момент t1, рис. 61, а), состояние RS-триггера не изменится, потому что один сигнал нулевого уровня на входе эле-мента И-НЕ уже имеется. Поэтому логическое состояние его выхода не изменится. Поступление среза сигнала (нулевого уровня напря-жения) на верхний вход DD1 временно изменит только сочетание сигналов на его входах (до подачи сигнала оно было 1 и 0, а стало 0 и 0), но выходное состояние DD1 останется неизменным. Если сигнал среза поступит на вход R (момент t2), то на одном из входов DD2, а именно на нижнем, окажется напряжение нулевого уровня. Состояние DD2 изменится, и на его выходе установится высокое

Q

Q

&

&

R

S T

Q

Q

DD1

DD2

R

S

R

S10

10

Q

Q

R

S

t1 t2 t3 t4

а б

Рис. 61. RS-триггер: а — временна́я диаграмма работы; б — условное графическое обозначение; в — схема с двумя ЛЭ И-НЕ

69

напряжение. Теперь на обоих входах DD1 будут напряжения высо-кого уровня, а на выходе — низкого. Теперь триггер переключился в противоположное состояние: Q = 0 и Q = 1. По здравому смыслу, триггер, изображенный на рис. 61, а и не должен был переключить-ся первым нулевым импульсом по входу S, так как уже находился в единичном состоянии, как это требовалось по сигналу на входе S. Переключить триггер в противоположное состояние мог только срез (появление низкого уровня) на входе R, что и произошло. Напро-тив, при поступлении второго сигнала нулевого уровня на вход R, триггер опять не переключился в нулевое состояние, так как к этому моменту времени уже в нем находился.

Отсюда следует, что переключения RS-триггера происходят толь-ко при чередовании сигналов низкого уровня на входах S и R. Смена состояния происходит при чередовании на обоих входах сигналов вида

10_. Триггер «запоминает», на какой из двух входов (R или S)

поступил последний сигнал. После одновременного поступления таких сигналов состояние RS-триггера станет неопределенным (состояние Q = 0 или Q = 1 равновероятно). Поэтому синхронная (одновременная) подача сигналов низкого уровня на оба входа такого триггера недопустима.

Если последний сигнал поступил на вход R, триггер находится в нулевом состоянии (Q1 = 0, Q1 = 1) и на повторный сигнал R не ре-агирует. Если на вход S, то RS-триггер находится в единичном состо-янии (Q1 = 1, Q1= 0) и не переключается повторяющимся S-сигналом.

Все сказанное относительно поведения во времени RS-триггера сохраняет силу и для RS-триггера. Единственное различие связано с противоположными уровнями входных сигналов, R вместо R и S вместо S (см. таблицы их переключений в предыдущем разделе). Схема RS-триггера может быть получена из RS-триггера присое-динением к каждому входу по инвертору (DD3 и DD4) из тех же логических элементов И-НЕ (см. рис. 62).

Инверторы обеспечивают высокий уровень входных сигналов. Вместо сигнала

10_ на входах инверторов теперь необходим ак-

тивный сигнал 10__ — перепад напряжения от нулевого уровня

до высокого, называемый в импульсной технике фронтом сигнала. Фронты входных сигналов приводят к смене состояния RS-триггера

70

(моменты времени t1, t2, t3 и t5). В момент времени t4 переключения нет, так как триггер уже установлен в единицу (во время фронта в момент t3). Переключения триггера происходят при чередовании фронтов (сигналов вида

10__) на его входах. Триггер «запоминает»

момент поступления первого сигнала на вход R или S и на последу-ющие сигналы не реагирует. Не разрешается одновременная подача напряжения высокого уровня на оба входа RS-триггера.

3.3. Синхронные RS‑триггеры

RS-триггер позволяет запоминать состояние элементов его логи-ческой схемы, однако этот процесс не мгновенный. В начальный мо-мент времени существует переходный процесс, связанный с разной скоростью переключения ЛЭ. Иногда это приводит к неправильной записи логических состояний. Для исключения ошибок запоминать состояния ЛЭ в триггерах нужно только в момент, когда все переход-ные процессы закончены. Этот момент времени обычно определяют

Рис. 62. RS-триггер: а — временна́я диаграмма работы; б — условное графическое обозначение; в — схема с четырьмя ЛЭ И-НЕ

Q

Q

&

&

R

S T

Q

Q

DD1

DD2

R

S

R

S01

Q

Q

R

S

t1 t2 t3 t4

а б

&R

&S

01 DD4

DD3

вt5

71

с помощью тактового сигнала (сигнала синхронизации). Все пере-ходные процессы в логической схеме триггера должны закончиться к моменту появления фронта или среза импульса синхронизации, подающегося на специальный вход триггера. Синхронными тригге-рами называются триггеры, переключающиеся в момент времени, определяемый синхроимпульсом. Ранее рассмотренные RS-триг-геры, в отличие от синхронных, получили название асинхронных.

Синхронизирующие сигналы с различной частотой и длительно-стью формируют при помощи мультивибраторов и одновибраторов, которые были рассмотрены в предыдущих разделах пособия. Теперь научимся записывать в триггеры входные логические сигналы только при наличии разрешающего сигнала (синхросигнала). Для этого по-требуется элемент, пропускающий входные сигналы на входы триггера только при наличии синхроимпульса. Таким элементом является логический элемент И. Часто его называют «схемой совпадения» — на выходе элемента логическая единица появится только при одно-временном совпадении единиц на всех его входах. Если хотя бы на одном из входов элемента И появится логический ноль, то на его выходе сигнал будет нулевого уровня. Логическая схема синхронного RS-триггера показана на рис. 63. Здесь вместо элемента И используется И-НЕ, так как он тоже является схе-мой совпадения с инверсным выхо-дом, необходимым для управления нулями входов RS-триггера. Отме-тим, что, несмотря на использова-ние в схеме RS-триггера, получился синхронный RS-триггер с активно высокими входными сигналами.

Получим логические уравнения выходов Q1 и Q1 схемы, представ-ленной на рис. 5. Сначала запишем уравнения для входов RS-триг-гера R и S как функций входных переменных R, S и C, а затем окон-чательно для выходов Q1 и Q1:

S S C R R C

Q S C Q Q R C Q

� � � �

� � � � � �

; ;

; .

&

&

Q

Q&

&S

R

C

Рис. 63. Схема синхронного RS-триггера, построенного

на элементах И-НЕ

72

S S C R R C

Q S C Q Q R C Q

� � � �

� � � � � �

; ;

; .

Подстановку всех возможных комбинаций из трех переменных R, S и C проведем сначала при всех С = 0 (первые четыре строки), а затем при С = 1:С = 0, R = 0, S = 0, Q Q Q Q Q Q Q Q� � � � � � � � � � � �0 0 1 0 0 1, ;

C = 0, R = 0, S = 1, Q Q Q Q Q Q Q Q� � � � � � � � � � � �1 0 1 0 0 1, ;

C = 0, R = 1, S = 0, Q Q Q Q Q Q Q Q� � � � � � � � � � � �0 0 1 1 0 1, ;

C = 0, R = 1, S = 1, Q Q Q Q Q Q Q Q� � � � � � � � � � � �1 0 1 1 0 1, ;

С = 1, R = 0, S = 0, Q Q Q Q Q Q Q Q� � � � � � � � � � � �0 1 1 0 1 1, ;

С = 1, R = 0, S = 1, Q Q Q Q Q Q� � � � � � � � � � � � �1 1 0 1 0 1 1 1 0, ;

С = 1, R = 1, S = 0, Q Q Q Q Q� � � � � � � � � � � � �1 1 0 0 1 0 1 1 1 0, ;

С = 1, R = 1, S = 1, Q Q Q Q Q Q� � � � � � � � � � � �1 1 0 1 1 1 0 1, .

Полученные результаты показывают, что схема триггера, пред-ставленная на рис. 63, действует по логике асинхронного RS-триг-гера, включая его неопределенное состояние при единичных вход-ных сигналах, но переключается он только при наличии на входе С синхроимпульса высокого уровня (С = 1).

По результатам логического анализа составим таблицу в виде, удобном для определения режимов записи и хранения. Ниже при-ведена таблица переключений синхронного RS-триггера. Здесь сим-вол × означает, что значения логических уровней на данный момент не важны.

73

Таблица 3.3Таблица переключений синхронного RS‑триггера

Q(t) Q(t + 1) Пояснения0 0

Режим хранения информации1 10 0

Режим хранения информации1 10 1

Режим установки единицы S = 11 10 0

Режим записи нуля R = 11 00 ×

R = S = 1 запрещенная комбинация1 ×

Работу синхронного RS-триггера можно проиллюстрировать временны ́ми диаграмма-ми (рис. 64).

Как видно из временны́х диаграмм, синхрон-ный RS-триггер на основном выходе сохраняет то состояние, которое соответствует последнему на данный момент синхроимпульсу. Подобные триггеры называют триггерами-защелками. Как было показано выше, RS-триггеры могут быть построены из различных логических эле-ментов. При этом логика их работы не изме-няется. Триггеры выпускаются в виде готовых микросхем (или реализуются внутри больших интегральных схем в виде готовых модулей). На принципиальных электри-ческих схемах синхронные триггеры изображаются в виде условных графических обозна-чений (рис. 65).

t1 t2 t3 t4

Q

T

t

t

t

S

t

R

Q

t

Рис. 64. Временна́я диаграмма

синхронного RS-триггера

Рис. 65. Условное графическое обозначение синхронного RS-триггера

Q

QR

S TC

74

Видно, что условное обозначение синхронного RS-триггера отличается от асинхронного триггера только наличием входа так-товых импульсов.

3.4. D‑триггеры

В RS-триггерах для записи нуля и единицы используются разные входы. В то же время один бит информации может принимать зна-чение или нуля, или единицы. Для его передачи и записи достаточно всего одного провода.

D-триггер, как и все триггеры, предназначен для записи и хране-ния одного бита цифровых данных, а значит, также обладает двумя устойчивыми состояниями. Переключение выходных состояний D-триггера осуществляют только по одному информационному входу D (см. рис. 66). Этот триггер можно отнести к синхронным триггерам, так как он переключается тактовым импульсом на вхо-де С. При поступлении синхроимпульса на выходе Q1 устанавлива-ется уровень напряжения, который в этот момент был на входе D. Переключение триггера тактовым импульсом происходит с некото-рым отставанием d (от англ. delay ‘задержка’) относительно смены сигнала на входе D. Поэтому D-триггеры еще называют триггерами задержки. На рис. 66, а длительность задержки обозначена буквой D латинского алфавита. Величина задержки определяется периодом и длительностью тактовых импульсов.

Схема D-триггера на рис. 66, в построена из четырех логических элементов И-НЕ. Здесь элементы DD1 и DD2 составляют RS-триггер. Элементы DD3 и DD4 предназначены для создания входов D и С.

Если D = 1, то при положительном тактовом импульсе на вхо-де С на выходе DD3 появляется сигнал низкого уровня (см. рис. 66, в). Сигнал активного низкого уровня S = 0 устанавливает на выходе Q RS-триггера напряжение высокого уровня (Q = 1). При этом на вы-ходе DD4 действует напряжение высокого уровня, так как на его верхнем входе напряжение низкого уровня, т. е. на выходе элемента DD4 формируется необходимый для RS-триггера сигнал R = 1 высо-кого уровня. Таким образом, на выходе D-триггера Q = 0.

75

Если вход D = 0 при положительном тактовом импульсе на вхо-де С, на выходе DD3 будет напряжение S = 1 высокого уровня и DD4 создаст сигнал R = 0. Поэтому D-триггер переключится в состояние с Q = 0 и Q = 1. Отрицательный импульс на входе R на рис. 66, в для этого случая изображен штриховыми линиями.

Таким образом, логическое состояние входа D переходит на ос-новной выход D-триггера в момент поступления тактового импульса на вход С.

Запишем для D-триггера логические уравнения его выходов Q и Q как функции входных логических переменных D и С, кото-рые поступают на соответствующие входы триггера (см. рис. 66). При этом учтем, что верхний входной вывод элемента DD1 является S-входом, а нижний входной вывод элемента DD2 является R-вхо-дом RS-триггера, представленного элементами DD1, DD2. Тогда по логическим функциям элементов И-НЕ находим

S D C R S C D C C� � � � � � �; .

Рис. 66. D-триггер: а — временна́я диаграмма работы; б — условное графическое обозначение; в — схема с логическими элементами И-НЕ

Q

QC

D T

C

D

Q

Q

C

D

t1 t2

а

б

в

&

&

Q

Q&

&D

(R)

C

DD1

DD2DD4

DD3 (S)

D

76

По закону де Моргана (см. Прил. 2) выражение логической функ-ции R можно упростить:

R D C C D C C D C C C D C� � � � � � � � � � � �( ) .

Тогда функции основных выходов RS-триггера Q S Q� � и  Q R Q� � примут вид уравнений:

Q D C Q Q D C Q� � � � � �и .

Чтобы составить таблицу переключений D-триггера, проана-лизируем логические состояния выходов триггера Q и Q при всех возможных комбинациях логических переменных на входах С и D.

С = 0, D = 0; Q 1 Q Q Q; Q 1 Q Q� � � � � � � ;

С = 0, D = 1; Q 1 0 Q 1 Q Q Q; Q 1 Q Q� � � � � � � � � � ;

С = 1, D = 0; Q 1 1 Q 1 Q 0 1; Q 0 1 Q 1 Q 1 1 0;� � � � � � � � � � � � � � �

С = 1, D = 1; Q 1 1 Q 0 Q 0 1; Q 0 1 Q 1 Q 1 0.� � � � � � � � � � � � � �

По полученным результатам можно заключить, что, независимо от логических значений переменной D на информационном входе D-триггера, при переменной С = 0 на тактовом входе состояние выходов триггера Q и Q не изменяется, т. е. в этом случае осуществ-ляется режим хранения. При С = 1 происходит передача логического состояния информационного входа D на основной выход Q.

Таблица 3.4Таблица переключений D‑триггера

Q(t) Q(t + 1) Пояснения0 0

Режим хранения информации1 1× 0

Режим записи информации× 1

77

Построить D-триггер можно на основе синхронного RS-триггера, объединив входы S и R при помо-щи инвертора (см. рис. 67), что, во-первых, препятствует одно-временному появлению сигналов установки и сброса RS-триггера и, во-вторых, обеспечивает фор-мирование сигнала D.

В схеме синхронного триггера, представленной на рис. 65, син-хросигнал является уровнем высокого потенциала, поэтому такие триггеры называются триггерами с синхронизацией по уровню, т. е. по вершине или основанию импульса. Происхождение этого названия можно пояснить с помощью временной́ диаграммы, при-веденной на рис. 68.

На диаграмме видно, что триггер хранит выходное состояние только при нулевом уровне на тактовом входе. Если на вход синхро-низации подать высокий потенциал, то в этот момент напряжение на выходе D-триггера станет равным напряжению входа. Входное напряжение запоминается в момент окончания тактового импульса высокого уровня. Входные данные как бы «защелкиваются» в этот момент времени, отсюда и название — триггер-защелка.

В этой схеме входной переходный процесс может повлиять на выходное состояние триггера. Поэтому, необходимо сокращать

Q

QR

S TC

1CD

Рис. 67. Схема D-триггера на основе синхронного

RS-триггера

Рис. 68. Временна́я диаграмма D-триггера (защелки)

Q

D

C t

t

tпредыдущеесостояние

«прозрачность» «защелкнутый»входнойсигнал

78

длительность тактового импульса. Чтобы максимально исключить влияние переходного процесса, разработали триггеры с синхрони-зацией по фронту или по срезу тактового импульса.

3.5. D‑триггеры с синхронизацией  перепадом напряжений

Фронт или срез тактового импульса, в отличие от постоянного в определенном промежутке времени потенциала, длится недолго. В идеальном случае длительность фронта и среза должна быть равна нулю. Поэтому в триггере, который синхронизируется фронтом, длительность тактового сигнала не имеет значения.

D-триггер, запоминающий входное состояние по срезу (в момент появления среза импульса), может быть создан из двух триггеров, синхронизирующихся потенциалом. Тактовый сигнал с помощью инвертора подается на эти триг-геры в противофазе (рис. 69).

Рассмотрим принцип дей-ствия триггера, схема которого приведена на рис. 69. С этой це-лью проанализируем временные́ диаграммы D-триггера, показан-ные на рис. 70.

Здесь обозначение Q′ соответствует уровню напряжения на выхо-де первого триггера. Благодаря инвертору, второй триггер пропускает сигнал Q′ на выход схемы Q в то время, когда первый триггер нахо-дится в режиме хранения. И наоборот, первый триггер пропускает сигнал с входа D схемы на свой выход Q′, когда второму триггеру за-прещено переключение (он находится в режиме хранения). В резуль-тате сигнал на выходе схемы, приведенной на рис. 70, запоминается только в момент перехода сигнала на входе C с единичного уровня на нулевой. Такую синхронизацию триггеров называют динамической синхронизацией, а сами триггеры — динамическими. Так как пере-ключение D-триггера осуществляется поочередным переключением двух триггеров, то такие триггеры называют двухтактными.

Рис. 69. Схема D-триггера с синхронизацией по срезу

Q

Q

TC

1

D Q

Q

Q

Q

TC

DDC

Q′

79

Динамические D-триггеры выпускаются в виде готовых микро-схем или входят в виде готовых блоков в состав больших интег-ральных схем. Условное графи-ческое обозначение D-триггера, запоминающего информацию по срезу синхроимпульса, при-ведено на рис. 71.

То обстоятельство, что триг-гер переключается по срезу, ото-бражается на условном графи-ческом обозначении равнобедренным треугольником на тактовом входе вершиной, направленной от входа. Если вершина треугольни-ка на входе синхронизации направлена к входу, то такой D-триггер переключается по фронту тактового импульса. То, что этот триггер состоит из двух, отображается в среднем поле условного графиче-ского изображения двумя буквами T.

Иногда при изображении «полярности» динамического вхо-да (по фронту или по срезу) вместо стрелки на входе С рисуют

Рис. 70. Временны́е диаграммы D-триггера

Q

Q′

C t

t

tпредыдущее состояние новое

состояние

D

C t

t

Q

Q

TCD T

Рис. 71. Условное графическое обозначение D-триггера

с синхронизацией по срезу тактового импульса

80

наклонную черту, наклон которой непосредственно указывает на фронт или срез синхроимпульса (рис. 72).

Промышленностью выпускаются микросхемы динамических триггеров, например 1533ТМ2. В этой микросхеме содержится сразу два динамических триггера. Они переключаются по фронту им-пульса синхронизации.

3.6. Двухтактный RS‑триггер

По аналогии с двухтактным D-триггером можно построить двухтактный RS-триггер.

Часто необходимо, чтобы триггер переключался не во время действия синхроимпульса, а после его окончания. Другими словами, необходимо, чтобы информация на выходе триггера появилась после того, как процессы переключения всех ЛЭ закончатся. Одной из та-ких схем является двухтактный RS-триггер. Он состоит из двух триг-геров — главного и вспомогательного (см. рис. 73). Левый — главный триггер — называют ведущим, или  «мастером», а  правый  — вспомогательный — ведомым, или «помощником». Триггеры работают поочередно, потому что тактовые импульсы на вспо-могательный триггер подаются через инвертор.

До прихода тактового импульса на входе синхронизации С «ма-стера» — логический ноль, что запрещает его переключение. В то же время на тактовом входе С «помощника» — логическая единица,

а б

Рис. 72. Обозначение динамического входа триггера: а — вход синхронизации по фронту; б — вход синхронизации по срезу

Q

QR

S TC1

Q1

Q1R

S TC

R

SC

Главный триггер(«мастер»)

Вспомогательныйтриггер

(«помощник»)

C

Рис. 73. Двухтактный RS-триггер

81

и ведомый триггер переписывает состояние выхода «мастера». Таким образом, в режиме хранения оба триггера находятся в одинаковом состоянии. С приходом тактового импульса на входе С «мастера» устанавливается высокий потенциал и ему разрешается переключе-ние, а «помощнику» — запрещается, так как на его входе С — низкий потенциал после инвертора. После окончания тактового импульса вспомогательный триггер переписывает информацию с выхода главного триггера.

Очень важно, чтобы триггеры работали поочередно, и вспомо-гательный триггер не «отпирался» до полного «запирания» главного триггера. Для этого вводят дополнительное запирающее напряжение на вход синхронизации вспомогательного триггера.

3.7. D‑триггеры серии К155 в интегральном исполнении

Микросхема К155ТМ2 (рис. 74) содержит два независимых D-триггера, имеющих общую цепь питания. У каждого триггера есть входы D, С, S и R, а также выходы Q и Q (см. рис. 74, а). Вхо-ды S и R — асинхронные, потому что они действуют независимо от сигнала на входах С и D. Активный уровень входов S и R низ-кий. Асинхронная установка в триггере (независимо от уровней сигналов на входах С и D) нужного сочетания уровней на выходах получится, если на входы S и R поданы взаимно противоположные логические сигналы.

Функциональные обозначения триггеров микросхемы К155ТМ2 показаны на рис. 74, б; ее цоколевка — на рис. 74, в.

Триггеры в этой микросхеме являются универсальными. Они могут работать как RS-триггеры или как синхронные D-триггеры. Ре-жимы работы этих универсальных триггеров отображены в табл. 3.5.

Сигнал от входа передается на выход Q по фронту импульса на тактовом входе С (стрелка вверх). Чтобы триггер переключился согласно табл. 3.5, уровень напряжения на входе D следует устано-вить заранее, перед подачей тактового перепада. Загрузить в триггер по сигналу на входе D выходные уровни В — высокий или Н — низкий (т. е. 1 или 0) можно, если предварительно на входы S и R

82

подать напряжения высокого уровня. Если на входы S и R триггера одновременно подаются напряжения нулевого уровня, состояния выходов Q и Q будут неопределенными.

Таблица 3.5Состояния D‑триггера (микросхема К155ТМ2)

Режим работыВходы Выходы

S R C D Q QАсинхронная установка Н В × × В НАсинхронный сброс В Н × × Н ВНеопределенность Н Н × × В ВЗагрузка 1 (установка) В В ↑ В В НЗагрузка 0 (сброс) В В ↑ Н Н В

Рис. 74. Два D-триггера в микросхеме К155ТМ2: а — структурная схема одного триггера; б — содержание микросхемы;

в — цоколевка К155ТМ2

Q

Q

T

б

&

&

Q

Q

DD1, DD2

R

C

S

R

S

12

3

4

5

6

1234567

141312111098

K15

5TM

2

S2C2

Q2

D2R25 B

ва

&

&

&

&D

Q2Q1S1C1D1R1

C1

C

D

Q

Q

TR

S

1312

11

10

8

9C

D

DD1

DD2

KT155TM2

83

3.8. T‑триггеры

T-триггер — это устройство с двумя устойчивыми состояниями, управляемое только по одному входу Т (рис. 75). После поступле-ния на вход T единичного импульса, состояние триггера меняется на прямо противоположное. На основном выходе Q появляется уровень напряжения, который ранее был на Q, и наоборот. Счетным он называется потому, что на выходе Q T-триггера логический ноль сменяется единицей и наоборот при последовательном поступлении импульсов на его вход Т. Поэтому можно сказать, что этот триггер умеет считать только от нуля до одного.

На рис. 75, в представлена схема Т-триггера на логических эле-ментах И-НЕ. Отличие схемы Т-триггера от похожей схемы D-триг-гера (см. рис. 66, в) в том, что вход А элемента DD3 постоянно связан с выходом Q RS-триггера.

Когда Q = 1, состояние инверсного выхода Q = 0. Так как вход А соединен с выходом Q, то на входе А напряжение низкого уровня. После поступления тактового импульса высокого уровня на вход Т на верхнем входе RS-триггера S = 1, а на нижнем входе R = 0. На выходе Т-триггера установится напряжение низкого уровня

Рис. 75. Т-триггер: a — временна́я диаграмма работы; б — условные графические обозначения;

в — схема с четырьмя логическими элементами И-НЕ

Q

Q

T

t1 t2

а

б

в

&

&

Q

Q &

&A

(R)

T

DD1

DD2DD4

DD3 (S)

Q

Q

Q

T

B

T

t3 t4

T

t

t

t

Q

84

(Q = 0, Q = 1). Когда поступит следующий тактовый импульс, на вхо-де А уже будет напряжение высокого логического уровня, S = 0, R = 1, и произойдет очередная смена состояния: опять установится Q = 1, Q = 0 (рис. 74, а). Таким образом, таблица переключений Т-триггера будет иметь вид:

T-триггер может быть получен из любого двухтактного триггера, например, из динамического D-триггера. Для этого необходимо ввести цепь обратной связи с инверсного выхода D-триггера, син-хронизируемого по срезу, на его вход D, как показано на рис. 76.

Подтверждение того, что D-триггер с показанной обратной связью работает как счетный T-триггер, можно увидеть с помощью временно́й диаграммы, приведенной на рис. 77.

Существуют и синхронные T-триггеры. При создании схем син-хронных двоичных счетчиков необходимо производить запись од-новременно во все его триггеры. В этом случае вход T-триггера только разрешает изменение состояния триггера на противоположное, а мо-мент переключения определяется синхроимпульсом на отдельном входе C. Пример подобной схемы синхрон-ного T-триггера приведен на рис. 78. Q

Q

TCD T

Рис. 76. Схема D-триггера, действующая как счетный

триггер

Рис. 77. Временны́е диаграммы T-триггера

Q

C

Q t

t

t

Q

Q

TCD T

&T

C

Рис. 78. Схема синхронного T-триггера

Таблица 3.6Состояния Т‑триггера

T Qn+1 Qn+1

0 Qn Qn

1 Qn Qn

85

Такая же схема счетного триггера может быть построена и на ос-нове JK-триггера (см. разд. 3.9). Временные́ диаграммы, демонстри-рующие работу синхронного T-триггера, приведены на рис. 79, а его условное графическое обозначение — на рис. 80.

Т-триггеры применяются при создании различных счет-чиков, поэтому в составе боль-ших интегральных схем обычно присутствуют готовые модули Т-триггеров. Условно-графическое обозначение T-триггера, пере-ключающегося по срезу тактовых импульсов, показано на рис. 80.

T-триггеры также применяются в схемах деления и умножения частоты. Без них трудно было бы реализовать синтезаторы частот, задающие генераторы в передатчиках и гетеродины в приемни-ках. Велика роль счетных триггеров и в создании современных электронных приборов, таких как smart-телевизоры, мобильные телефоны или GSM-навигаторы. Не менее важна роль T-триггеров в формировании тактовой частоты цифровых микросхем, таких как центральные процессоры компьютеров, планшетов или циф-ровых фотоаппаратов.

Q

C

Q t

t

t

T

t

Рис. 79. Временны́е диаграммы синхронного T-триггера

Рис. 80. Условное графическое обозначение T-триггера

Q

Q

TT

T

86

3.9. JK‑триггер

Функционирование асинхронного JK-триггера аналогично действию RS-триггера, за исключением состояния неопределен-ности, присущего RS-триггеру при одновременной подаче единич-ных уровней напряжения на его входы R и S. Для RS-триггера это запрещенная комбинация входных сигналов. J-вход JK-триггера является аналогом входа R, а K-вход — аналог входа S, т. е. сигнал 1 на входе J (при K = 0) устанавливает триггер в состояние 1, а при K = 1 (J = 0) — в состояние 0. Однако для этих входов не существует запрещенных комбинаций входных переменных, а у JK-триггера отсутствуют состояния неопределенности.

Для исключения запрещенного состояния в схему RS-триггера введены перекрестные обратные связи между выходами и входами. Выход Q RS-триггера соединен с входом R, а выход Q — с входом S. Такая обратная связь приводит к тому, что при одновременной по-даче на входы J и K двух единиц JK-триггер закономерно изменит свое предыдущее состояние на противоположное.

Схема асинхронного JK-триггера из элементов И-НЕ представ-лена на рис. 81. Приведенная схема JK-триггера отличается от схемы RS-триггера из четырех элементов И-НЕ (см. рис. 62, в) только тем, что элементы DD3 и DD4 включены не как инверторы, а по входам А3 и В4 управляются сигналами с выходов триггера Q и Q соответ-ственно.

Работа схемы поясняется временны́ми диаграммами (рис. 81, а). Если JK-триггер находился в нулевом состоянии (Q = 0, Q = 1 — до момента времени t1), и на вход J поступил единичный импульс, на выходе DD3 появится сигнал нулевого уровня. Это сигнал уста-новки в единицу S на входе RS-триггера, составленного из элементов DD1 и DD2. В это время на входе K напряжение низкого уровня. На входе В4, связанном с выходом Q, также низкий уровень. В ре-зультате на выходе элемента DD4 высокий уровень напряжения, т. е. сигнал R = 1 для RS-триггера.

Если JK-триггер находился в единичном состоянии (Q = 1 и Q = 0 до момента t2) и единичный импульс появился на входе K, то на вы-ходе DD4 возникнет нулевой сигнал на входе R. В это время на вы-

87

ходе DD3 напряжение высокого уровня, т. е. S = 1. Произойдет сброс RS-триггера в ноль.

Когда на обоих входах J и K одновременно логический ноль — на обоих входах RS-триггера по логической единице, т. е. JK-триггер находится в режиме хранения.

До момента времени t4 действия JK‑ и RS-триггеров полностью совпадали. Можно сказать, что вход J подобен входу S, а K — входу R.

Q

QK

J T

Q

Q

K

J

t1 t2

а

б

в

&

&

Q

Q&

&A3

(R)

DD1

DD2DD4

DD3(S)

B3

A4B4

J(S)

K(R)

t3 t4 t5

г

&

&

Q

Q&

&A3

(R)

DD1

DD2DD4

DD3(S)

B3

A4B4

J(S)

K(R)

Рис. 81. JK-триггер: a — временна́я диаграмма работы; б — условное графическое обозначение; в, г — схемы

с четырьмя логическими элементами И-НЕ

88

Когда на входах J и K одновременно появляется единичное на-пряжение, то новое состояние JK-триггера зависит от его преды-дущего состояния.

1. После момента времени t3 состояние JK-триггера — единичное (Q = 1 и Q = 0). На входе A3 = 0 и на выходе DD3 остается напряже-ние единичного уровня (S = 1). В то же время на входе В4 элемен-та И-НЕ (DD4) имеется единичный уровень напряжения (Q = 1), а на выходе DD4 после момента t4 появится сигнал R = 0. Поэтому RS-триггер, состоящий из DD1 и DD2, переключится в нулевое состояние (Q = 0 и Q = 1).

2. После момента времени t4 состояние триггера — нулевое (Q = 0 и Q = 1). Аналогичные предыдущим рассуждения приводят к вы-воду, что на выходе DD4 останется напряжение единичного уровня (R = 1), а на выходе DD3 после момента t5 появится сигнал S = 0, который переключит RS-триггер в нулевое состояние (Q = 1 и Q = 0).

Таким образом, при одновременном появлении единиц на обо-их входах JK-триггер меняет свое состояние на противоположное, в отличие от RS-триггера, состояние которого в этом случае нео-пределенное.

Таблица переключений асинхронного JK-триггера приведена ниже.Таблица 3.7

Таблица переключений асинхронного JK‑триггераJ K Qn+1 Qn+1

0 0 Qn Qn

1 0 1 00 1 0 11 1 Qn Qn

На основе асинхронного JK-триггера, схема которого приведена на рис. 81, в, можно построить синхронный JK-триггер. Достаточно двухвходовые логические элементы DD3 и DD4 заменить на трех-входовые элементы И-НЕ. Схема синхронного JK-триггера показана на рис. 82. Нижний вывод верхнего элемента DD1 соединен с верх-ним выводом DD2, что позволяет организовать вход С для тактовых импульсов, обеспечивающий переключение JK-триггера только

89

при появлении синхронизиру-ющего сигнала.

Очевидно, что переключение трехвходовых элементов И-НЕ в состояние логического нуля возможно только при совпаде-нии логических единиц на всех его входах и что эта ситуация невозможна в отсутствие еди-ничного синхроимпульса. При С = 1 все оставшиеся единицы обеспечиваются обратными связями и соответствующей установкой единиц на входах J и K. Например, пусть выходное состояние триг-гера нулевое, т. е. Q = 0 и Q = 1. С инверсного выхода JK-триггера на верхний вывод элемента DD1 поступает напряжение единичного уровня. На входах триггера установлены напряжения, соответству-ющие J = 1, K = 0. Тогда при поступлении на вход С синхроимпульса единичного уровня все три единицы «соберутся» на входах элемента DD1, что переключит его в ноль и создаст сигнал S = 0 на входе RS-триггера. В то же самое время нулевой сигнал с основного выхода триггера Q = 0 сохранит выход элемента DD2 в единичном состоя-нии, т. е. R = 1, что приведет к переключению RS-триггера, а значит, и JK-триггера в единичное состояние с Q = 1 и Q = 0.

Появление входа для тактовых импульсов не повлияло на прин-цип действия триггера с обратными связями и входами J и K. По-этому таблица переключений синхронного JK-триггера (табл. 3.8) логически следует из таблицы для асинхронного триггера.

&

&

Q

Q

DD1

R

S&

&

C

K

J

DD2

DD3

DD4

Рис. 82. Схема синхронного JK-триггера в базисе И-НЕ

Таблица 3.8Таблица переключений синхронного JK‑триггера

С K J Q(t) Q(t+1) Пояснения0 × × 0 0

Режим хранения информации0 × × 1 11 0 0 0 0

Режим хранения информации1 0 0 1 1

90

Можно построить синхрон-ный JK-триггер из синхронных RS-триггеров. Один из вариантов такой схемы приведен на рис. 83. Эта схема удобна для понимания принципов работы синхронного JK-триггера в режиме переклю-чений (аналог счетного режима Т-триггера).

Для обеспечения счетного режима с помощью двухвходовых схем совпадения в схеме создана присущая JK-триггеру перекрест-ная обратная связь с выходов второго RS-триггера на входы R и S первого триггера. При наличии обратной связи на входах R и S первого триггера и поочередной работе триггера-«мастера» и триг-гера-«помощника», в схеме никогда не возникнет запрещенная комбинация. Более того, благодаря перекрестной обратной связи, вво-дится новый режим работы — счетный, как у Т-триггера. При одно-временной подаче на входы J и K логических единиц JK-триггер на-чинает работать подобно T-триггеру. Временны́е диаграммы работы JK-триггера будут такими же, как и приведенные ранее диаграммы T-триггера.

Рассмотрим работу выпускаемого промышленностью так назы-ваемого универсального JK-триггера. Условное графическое обозна-чение такого триггера приведено на рис. 84. Его универсальность, определяется в первую очередь многорежимной работой самого

Рис. 83. Внутренняя схема JK-триггера

Q

Q

T

1

JK

Q

Q

C

S T

&

&

C

Q

QR

C

S

R

Окончание табл. 3.8

С K J Q(t) Q(t+1) Пояснения1 0 1 0 1

Режим установки единицы J = 11 0 1 1 11 1 0 0 0

Режим записи нуля K = 11 1 0 1 01 1 1 0 1 K = J = 1 счетный режим триггера

(переключение в противоположное состояние)1 1 1 1 0

91

JK-триггера, а во-вторых, тем, что он может работать еще и как асин-хронный RS-триггер, что позволяет устанавливать JK-триггер в за-ранее определенное исходное состояние. Более того, из JK-триггера можно построить все рассмотренные ранее типы триггеров и мн. др.

Для демонстрации многогранных возможностей JK-триггера рассмотрим некоторые примеры различных режимов его работы. Например, используем этот триггер в качестве обнаружителя ко-ротких импульсов (рис. 85).

В этой схеме при появлении на входе C синхроимпульса малой длительности триггер мгновенно перейдет в единичное состояние, которое может быть обнаружено любой последующей цифровой схемой. Для того чтобы вернуть схему в исходное «ждущее» со-стояние, необходимо сбросить триггер в ноль подачей на вход R напряжения нулевого уровня.

Рассмотрим один из многих возможных вариантов построе-ния на JK-триггере одновибрато-ра (ждущего мультивибратора — см. рис. 86).

Действие схемы (рис.  86) подобно работе только что рас-смотренной (рис. 85). При по-ступлении короткого тактового импульса на выходе появляет-ся единичный импульс напря-жения, длительность которого

Рис. 84. Условное графическое обозначение универсального

JK-триггера

Q

Q

C

S TT

R

J

K

Рис. 85. Схема обнаружения короткого импульса

Q

Q

C

S TT

R

J

K

Входнойимпульс

Обнаружениеимпульса

Обнулениесхемы

+Uп

Рис. 86. Схема ждущего мультивибратора, собранного

на JK-триггере

Q

Q

C

S TT

R

J

K

Входнойимпульс

Выходнойимпульс

+Uп DD1

R1

C1VD1

92

определяется постоянной времени RC-цепи. При этом открывшийся диод VD1 быстро разряжает конденсатор C, оперативно восстанав-ливая исходное состояние схемы. Если быстро восстанавливать схему не требуется, то диод VD1 можно исключить из схемы. Такая ситуация может возникнуть, например, когда длительность выход-ных импульсов значительно меньше половины периода входных импульсов.

Применим универсальный JK-триггер для создания счетно-го T-триггера (рис. 87).

В  схеме, приведенной на рис.  87, для  реализации счет-ного режима работы триггера на входы J и K подаются уровни логической единицы от шины питания. В этом случае, как по-казано ранее, JK-триггер переходит в режим поочередного переклю-чения в противоположные состояния каждым входным импульсом, т. е. работает как счетный T-триггер. Если эти входы, соединенные параллельно, использовать в качестве отдельного входа Т, то они образуют отдельный вход разрешения счета.

По  отечественной классификации в  названиях микросхем JK-триггеров присутствуют буквы ТВ. Например, микросхема К1554ТВ9 содержит в одном корпусе два JK-триггера. Среди ино-странных микросхем с JK-триггерами можно назвать, например, 74HCT73 или 74ACT109.

3.10. JK‑триггер серии К155 в интегральном исполнении

Микросхема К155ТВ1 (рис. 88) — универсальный JK-триггер со структурой «мастер» — «помощник». Триггер имеет инверсные вхо-ды установки S и сброса R. Микросхема имеет три входа J (J1–J3), три входа K (K1–K3), тактовый вход С и комплементарные выходы Q и Q.

Переключение триггера К155ТВ1 осуществляется в соответствии с табл. 3.9. Буквами В и Н обозначены высокий и низкий уровни

Рис. 87. Схема счетного триггера, построенного на JK-триггере

Q

Q

C

S TT

R

J

K

Входнойимпульс

Счетныйвыход

Обнулениесхемы

+Uп

93

напряжений, двумя буквами — перепад напряжения от низкого до высокого (фронт импульса) на тактовом входе. Символ × озна-чает, что значения логических уровней напряжения на этом входе не влияют на работу триггера в данном режиме.

Согласно таблице, загружать информацию от входов J и K либо хранить ее можно только тогда, когда на входах S и R уста-новлено напряжение логической единицы и присутствует фронт синхроимпульса. Информация с входов J и K загружается в триггер-«мастер» (элементы DD3 и DD4 на рис. 88, а) по фронту тактового

Рис. 88. Универсальный JK-триггер К155ТВ1: а — структурная схема; б — условное графическое обозначение; в — цоколевка

Q

Q

J1

TT

б

&

&

Q

Q&

&

&

&

&

DD8

DD7

DD6

DD5

DD4

DD3

&

DD2

DD1

K1K2K3

J1J2J3

R

C

S

R&

J2J3C

K1&

K2K3S

13

345

910112

12

8

6

1234567

141312111098

K15

5TB

1J1J2J3Q K1

K2K3

Q

CR5 B

в

а

94

импульса и по срезу тактового импульса запоминается в триггере-«помощнике». Напоминаем, что состояния выходов Q и Q неопре-деленные, если на входы S и R одновременно поданы напряжения уровня логической единицы. Кроме того, напряжения на входах J и K не должны изменяться, пока на входе C присутствует высокое напряжение, так как в это время «мастер» передает информацию «помощнику».

Входы S и R — асинхронные с активным низким уровнем. Пока на этих входах противоположные уровни напряжения В и Н или Н и В, на входы С, J и K триггер не реагирует. При этом состояния выходов Q и Q определяются двумя первыми строками табл. 3.9.

Таблица 3.9Таблица переключений JK‑триггера (микросхема К155ТВ1)

Режим работыВходы Выходы

S R C J K Q QАсинхронная установка Н В × × × В НАсинхронный сброс В Н × × × Н ВНеопределенность Н Н × × × В ВПереключение В В НВ В В Q QЗагрузка 0 (сброс) В В НВ Н В Н ВЗагрузка 1 (установка) В В НВ В Н В НХранение В В НВ Н Н Q Q

3.11. Триггер Шмидта

Триггер Шмидта является импульсным устройством с двумя устойчивыми состояниями. Его отличие от остальных триггеров в том, что он переключается из одного состояния в другое при раз-личных значениях входного напряжения. Значение входного сиг-нала Uвх1 для перехода триггера Шмидта от низкого напряжения на выходе к высокому

Uвх1 > Uвх2,

95

где Uвх2 — входное напряжение для перехода триггера от высокого выходного напряжения к низкому (рис. 89). Разность между этими напряжениями называют напряжением гистерезиса. Эти напря-жения, при которых происходят переключения триггера Шмидта, называют пороговыми.

Приведенная на рис. 89 схема простейшего триггера Шмидта содержит два логических элемента И-НЕ, диод VD1 и резисторы R1 и R2.

Когда входное напряжение ниже Uвх1 (для ЛЭ универсальных серий ~1,3 В), на обоих входах DD2 напряжение низкого уровня. Тогда на выходе этого элемента находится напряжение высокого уровня. Так как выход DD2 соединен с входами DD1, на выходе триггера действует напряжение низкого уровня (Q = 0). Это состоя-ние триггера — устойчивое. При увеличении входного напряжения происходит открывание диода VD1 и, когда Uвх возрастет до Uвх1 (момент времени t1), на выходе элемента DD2 установится напря-жение низкого уровня. Тогда на выходе элемента DD1 появится напряжение высокого уровня (Q = 1).

Через резистор R2 это напряжение поступает на вход DD2 и ка-тод диода VD1, что приведет к его закрыванию. Высокий уровень напряжения на входе элемента DD2 приводит к низкому напряже-нию на его выходе и устойчивому высокому напряжению на выходе триггера Шмидта. Это устойчивое состояние сохраняется до тех

Рис. 89. Триггер Шмидта: а — схема с двумя логическими элементами И-НЕ; б — условное графическое обозначение;

в — временна́я диаграмма работы

t

t

R1

&DD1

&DD2

R2

VD1Uвх

1–2 кОм

3,5–5,1 кОм

Q

Q

Uвх1

Uвх2

Qt1 t2 t3 t4

Uвх

Uвых

а б в

96

пор, пока входное напряжение выше Uвх2. Когда Uвх станет ниже Uвх2, на выходе DD2 снова появится единичное напряжение, а на выходе DD1 — нулевое, т. е. триггер Шмидта вернется в исходное состояние с низким уровнем выходного напряжения.

Подбором сопротивлений резисторов R1 и R2 можно в не-больших пределах изменять оба порога переключения (диапазо-ны допустимых сопротивлений резисторов указаны на рис. 89, а). Сопротивление резистора R1 может изменять только напряжение возвращения триггера Шмидта в исходное состояние. Диод VD1 может быть как германиевым, так и кремниевым.

Триггеры Шмидта применяют для формирования прямоуголь-ных импульсов из сигналов с меняющейся амплитудой или для уве-личения крутизны пологих фронтов прямоугольных импульсов. При этом фронты импульсов становятся круче и удовлетворяют требованиям к фронтам ИМС ТТЛ.

3.12. Триггеры Шмидта серии К155  в интегральном исполнении

В интегральной микросхеме К155ТЛ1 содержится два логи-ческих элемента со свойствами триггера Шмидта, что отражено на их условном обозначении значком гистерезиса (рис. 90, а). Кроме этого, в отличие от предыдущей схемы, выход этих триггеров ин-версный, т. е. в основном состоянии на выходе триггера не нулевой уровень напряжения, а единичный. Внутренняя положительная обратная связь в этих триггерах Шмидта позволяет получить пере-даточную характеристику с большим гистерезисом. Передаточной характеристикой называется зависимость выходного напряжения от напряжения на входе. Передаточная характеристика обычного элемента ТТЛ, например, инвертора, имеет порог переключения Uпор = 1,3 В, а у этих триггеров Шмидта — два порога: Uвх1 = 1,7 В и Uвх2 = 0,9 В (рис. 90, б).

Если напряжение на входе элемента триггера Шмита Uвх = 0 В (точка А), то выходное напряжение Uвых = 3,4 В (напряжение логи-ческой единицы ТТЛ). Если входное напряжение достигает 1,7 В,

97

1413

1211

109

8

12

34

56

70123

5 B

D2

C2

B2A

2Q

2

AE

Б

ДВ

Г

0,4

1,2

2,0

Uот

пU

срб

Uвх

, В

Uвы

х, В

Uг =

800

мВ

A1

B1C

1D

1Q

1a

б

в

1,7

В0,

9 В

Uвх

Uвы

х

Uвы

х/2

&

&

t1,0

t0,1

зд.р

зд.р

Рис. 

90. Д

ва т

ригг

ера

Шми

дта

в ми

крос

хеме

К15

5ТЛ1

: а 

— с

трук

турн

ая с

хема

; б —

пер

едат

очна

я ха

ракт

ерис

тика

; в —

вре

менн

а́я д

иагр

амма

то выходное напряжение резко уменьшится (понизится от точки Б к В) до уровня Uвых < 0,3 В (напряжение логического нуля ТТЛ). Такой уровень входного напряжения называют напряжением сра-батывания Uвх = Uсрб = 1,7 В.

После срабатывания триггер Шмидта сохраняет на выходе нулевой уровень напряжения (см. также временну ́ю диаграмму на рис. 90, в). Если постепенно уменьшать входное напряжение (от точки Г), то при Uвх = 0,9 В выходное напряжение скачком вер-нется к высокому уровню напряжения (переход Д — Е на рис. 90, б). Это входное напряжение называют порогом отпускания Uвх = 0,9 В = Uотп. При дальнейшем снижении входного напряжения триггер сохраняет исходное высокое выходное напряжение. Таким обра-зом, у этого триггера Шмидта гистерезис равен Uсрб – Uотп = 800 мВ, а зона гистерезиса симметрична относительно порога переключения обычного элемента ТТЛ, т. е. 1,3 В ± 400 мВ.

Благодаря гистерезису любые помехи сигнала с амплитудой, меньшей Uсрб – Uотп = 800 мВ, отсекаются, а любые, даже пологие, фронты и срезы входных сигналов преобразуются в крутые фронты и срезы выходных импульсов. Длительность переключения триггера Шмидта очень мала и не зависит от скорости нарастания или спа-да входного сигнала. Для микросхемы К155ТЛ1 время задержки выходного сигнала можно определить по временно ́й диаграмме на рис. 90, в, где t1 = 27 нс — время задержки распространения среза (перепада от 1 до 0), t2 = 22 нс — время задержки фронта (перепада от 0 до 1) выходного импульса.

В микросхеме К155ТЛ1 (рис. 90, а) содержится два четырех-входовых логических элемента И-НЕ с порогами Шмидта. Если используется только один из входов этого ЛЭ, остальные три следует подключить к шине питания.

99

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРНЫХ УСТРОЙСТВ, 

ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Ц е л ь р а б о т ы: изучение принципов построения RS, D, JK-триггеров, триггера Шмидта на базе ИС логических элементов НЕ, И-НЕ и исследование их работы.

Выполняются задания по работе со сменными устройствами — печатными платами № 12, 14.

Задание 1Исследуется работа RS-триггера, D, JK-триггеров, использующих

цифровые микросхемы типа НЕ, И-НЕ.RS-триггер собран на  ИС D6, D-триггер собран на  ИС D7

и JK-триггер собран на ИС D9, D10, D11 (см. принципиальную электрическую схему сменного устройства УС12).

Сигналы управления подаются (см. описание комплекта К32, Прил. 1):

— на RS-триггер с помощью кнопок «1», «2» программатора кодов, — на D-триггер с помощью кнопок «3», «4» программатора кодов, — на JK-триггер с помощью кнопок «5», «6» программатора ко-

дов, а также с помощью программатора серии импульсов и генератора.Выходные сигналы отображаются на правом цифровом та-

бло в двоичном коде или исследуются с помощью мультиметра (осцилло графа). Необходимые цепи подключаются к входу мульти-метра (осциллографа) с помощью коммутатора.

100

RS‑триггеры серии К155 на логических элементахПри исследовании RS-триггера, собранного на микросхеме

D6 (К155ЛА3 — используется 2 из 4 элементов 2И-НЕ) (рис. 59), экспериментально получить и проверить его таблицу истинности (табл. 3.1). Смена состояния триггера происходит при чередовании сигналов «0», «1» на его входах. Триггер «запоминает» момент по-ступления на вход R или S первого импульса сигналов.

Не разрешается одновременная подача напряжения низкого уровня на оба входа RS-триггера.

На вход S (выводы 1, 9, 19 микросхемы D6) сигнал управления подается кнопкой «1» программатора кодов.

На вход R (выводы 5, 12, 13 — D6) сигнал управления подается кнопкой «2» программатора кодов.

Выходной сигнал RS-триггера (выходы Q и Q) отображается на правом цифровом табло (1-й и 2-й разряды соответственно) в двоичном коде.

D‑триггер серии К155 на логических элементахПри исследовании D-триггера, собранного на микросхеме D7

(К155ЛА3 — 4 элемента 2И-НЕ), экспериментально получить и про-верить его таблицу истинности (см. табл. 3.4).

В D-триггере состояние выхода Q совпадает с состоянием входа D в момент поступления тактового импульса на вход C.

На вход D (вывод 1 — D7) сигнал управления подается кнопкой «3» программатора кодов (если кнопка «3» нажата — происходит запись информации в триггере).

На вход С (вывод 5 микросхемы D7) сигнал управления по-дается кнопкой «4» программатора кодов (при нажатии кнопки «4» происходит считывание информации с триггера).

Выходной сигнал D-триггера (выходы Q и Q) отображается на правом цифровом табло (3-й и 4-й разряды соответственно) в двоичном коде.

JK‑триггеры на логических элементах серии К155JK-триггер собран на микросхемах D9 (К155ЛА4 — 3 элемента

3И-НЕ), D10 (К155ЛА3 — 4 элемента 2И-НЕ), D11 (К155ЛА4 —

101

3 элемента 3И-НЕ) по схеме «мастер» — «помощник». Сигналы управления подаются на JK-триггер (выводы 10, 2, 4 микросхемы D9) с помощью кнопок «5», «6» программатора кодов. С помощью кнопки «13» программатора кодов на вход JK-триггера поступают сигналы управления или с генератора прямоугольных импульсов (выход С2, кнопка «13» нажата), или с генератора серии импульсов (выход С1, кнопка «13» не нажата).

Запуская JK-триггер одиночными импульсами, эксперимен-тально получить и проверить таблицу истинности одиночного («мастер») JK-триггера (см. табл. 3.9). Запуская триггер от генератора прямоугольных импульсов или генератора серии импульсов, изме-рить амплитуду (U), период (T) и длительность (τи) и снять осцилло-граммы импульсов на входах, выходах и с других исследуемых точек JK-триггера, подключаемых к каналам прохождения импульсов КПИ1–КПИ8 (относительно сигнала на входе синхроимпульсов). Проверить соответствие таблицы переключений JK-триггера, за-пускаемого по фронту импульса, и полученных осциллограмм. Проанализировать работу схемы «мастер» — «помощник» исходя из временных́ диаграмм работы этой схемы. Подключение каналов прохождения импульсов к мультиметру (осциллографу) см. в опи-сании комплекта К32 (см. Прил. 1).

Задание 2Исследуется триггер Шмидта D3 на микросхеме К155ТЛ1 в ин-

тегральном исполнении.Триггер Шмидта запускается по входу (выводы 1, 2, 4, 5 микро-

схемы D3) от генератора сигналов (выход ГС1) и контролируется мультиметром (осциллографом) по каналу КПИ9.

Выходной сигнал триггера (вывод 6 микросхемы D3) подклю-чается к мультиметру (осциллографу) с помощью коммутатора (канал КПИ10).

Измерить амплитуду (Uвых), длительность (τи) и период (Т) вы-ходного сигнала. Снять и построить передаточную характеристику триггера Шмидта.

102

Задание 3Исследуется работа триггеров RS, D, JK в интегральном ис-

полнении (см. принципиальную электрическую схему сменного устройства УС14).

В работе изучаются принципы действия RS-триггера, собран-ного на ИС D4 (К155ТМ2), D-триггера, собранного на микросхеме D4 (К155ТМ2), JK-триггера, собранного на микросхемах D2, D5 (К155ТВ1).

Сигналы управления подаются с помощью кнопок «1»–«12», «15» программатора кодов и с помощью программатора серии им-пульсов. Выходные сигналы наблюдаются на левом цифровом табло в двоичном коде и с помощью мультиметра (осциллографа). Необ-ходимая цепь ко входу мультиметра (осциллографа) подключается с помощью коммутатора.

Исследовать асинхронную установку (сброс D-триггера) и срав-нить эти состояния с таблицей состояний RS-триггера.

Экспериментально исследовать и проверить таблицу состояний D-триггера (табл. 3.5) на микросхеме D4 (К155ТМ2). Проверка ре-жимов работы триггера осуществляется с помощью кнопок «1»–«4» программатора кодов, при этом кнопкой «1» подается сигнал управ-ления на вход S (вывод 1 микросхемы D4), кнопкой «2» на вход D (вывод 2 микросхемы D4), кнопкой «3» — на вход С (вывод 3 микро-схемы D4), кнопкой «4» — на вход R (вывод 4 микросхемы D4). Выход Q соответствует выводу 5 микросхемы D4, а выход Q — вы-воду 6 микросхемы D4. Выходные сигналы наблюдаются на левом цифровом табло (1-й и 2-й разряды) в двоичном коде.

Второй D-триггер микросхемы D4 (выводы 10–13, 8, 9) включен в счетном режиме (выход Q (8) соединен со входом D (12)). Ис-пользуя табл. 3.5, запустить триггер D4 в счетном режиме, при этом на счетный вход С (вывод 11 микросхемы D4) поступают запуска-ющие импульсы со входа С2 генератора прямоугольных импульсов. С помощью коммутатора подключить вход С2 генератора (канал КПИ1) ко входу мультиметра (осциллографа) и измерить амплитуду (U), период (T) и длительность (τи) запускающих импульсов. Также измерить Uвых, τи и Т выходных сигналов с Q (вывод 9 D4) по каналу КПИ2 и с Q (вывод 8 D4) по каналу КПИ3.

Экспериментально исследовать и проверить таблицу состояний JK-триггера (табл. 3.9) на микросхеме D2. Проверка работы триггера осуществляется с помощью кнопок «9»–«12» программатора кодов, при этом кнопкой «9» подается сигнал управления на вход S (вывод 2 микросхемы D2), кнопкой «10» — на вход J (выводы 3–5 микросхе-мы D2), кнопкой «11» — на вход K (выводы 9, 10, 12 микро схемы D2), кнопкой «12» — на вход R (вывод 13 микросхемы D2). Выход Q соот-ветствует выводу 6 ИС D2, а выход Q — выводу 8 ИС D2. Выходные сигналы триггера наблюдаются на левом цифровом табло (3-й и 4-й разряды) в двоичном коде.

Исследовать JK-триггер (микросхема D5, см. табл. 3.9) в динами-ческом (счетном) режиме. Внешнюю коммутацию триггера провести проводами, следуя табл. 3.9 и используя гнезда XS1–XS8 на сменной печатной плате. С помощью кнопки «15» программатора кодов на вход JK-триггера (D5) поступают сигналы управления или с гене-ратора импульсов со входа C2 (кнопка «15» нажата), или с генератора серии импульсов со входа С1 (кнопка «15» не нажата).

При непрерывном запуске JK-триггера (D5) кнопки «7», «8» и «15» программатора кодов нажаты. При одиночном запуске (или запуске серией импульсов) кнопки «7», «8» нажаты, кнопка «15» не нажата. Выходные сигналы триггера наблюдаются с помощью мультиметра (осциллографа), который подключается к каналам КПИ4 и КПИ5 с помощью коммутатора.

Измерить амплитуду (Uвых), длительность (τи) и период (Т) вы-ходных сигналов JK-триггера и зарисовать осциллограммы этих сигналов относительно тактовых импульсов. Проанализировать работу триггера, исходя из полученных результатов.

104

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ОПИСАНИЕ КОМПЛЕКТА  ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 

ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ ТИПА К32

1. Общие указания1.1. Комплект лабораторного оборудования по электронной тех-

нике предназначен для использования в качестве учебного оборудо-вания при проведении лабораторных работ по основным элементам цифровой, измерительной и вычислительной техники. Его внешний вид и элементы передней панели представлены на рис. 91 и 92.

1.2. Указанные на передней панели надписи означают: — «BX1» — вход 1; — «ВХ2» — вход 2; — «ГН1» — генератор напряжения постоянного тока, первый; — «ГН2» — генератор напряжения постоянного тока, второй; — «ГС1» — генератор сигналов, первый; — «ГС2» — генератор сигналов, второй; — «КВУ» — коммутатор внешних устройств; — «Коммут» — коммутатор; — «СИ» — серия импульсов; — «ФВ» — фазовращатель.

2. Технические данные2.1. Электропитание комплекта К32 осуществляется от сети

переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В.

105

Рис. 

91. В

неш

ний

вид

комп

лект

а ла

бора

торн

ого

обор

удов

ания

по 

элек

трон

ной

техн

ике

типа

К32

Сет

ь Про

грам

мато

рС

И

Про

грам

мато

рко

дов

(ПК

)

БУК

УС

КВУ

«Пус

к»«У

ст. 0

»

Вх 1/В

х 2

ВС

в/В

нК

HG

1 H

G4

HG

1 H

G4

лев.

прав

.

10 2

10 2

Вы

х. V

~В

ых.

V=

Гене

рато

р

Мул

ьтим

етр

(осц

илло

граф

)

106

Рис. 

92. В

неш

ний

вид

пере

дней

пан

ели

комп

лект

а ла

бора

торн

ого

обор

удов

ания

по

 эле

ктро

нной

тех

нике

тип

а К3

2

210

210

Пус

кУс

тан

0

12

34

56

78

910

1112

1314

1516

2322

2120

Про

грам

мато

р ко

дов

Про

грам

мато

р С

И

Сет

ьП

итан

ие V

+5±1

5–30

Вы

ход

V=

Вы

ход

V=

Вход

ГС

1

Вы

ход

V=

Вы

ход

V=

Комм

утат

орФ

ВГН

1ГН

2К

ВУ

ВнК

ВнК

ВнК

ВнК

ВнК

ВнК

Блок

упр

авле

ния

К32

Конт

роль

V=

Конт

роль

V~

ГН1

ГН2

+5+1

5–1

5–3

0ГС

1ГС

2ВХ

2ВХ

1Ко

ммут

0π

ГС1

ГС2

ВС

в

ВС

вВ

Св

ВС

вВ

Св

ВнК

ВС

вВ

Св

ВнК

ВС

в

107

2.2. Мощность тока, потребляемая комплектом К32 от сети, не более 110 Вт.

2.3. Время установки рабочего режима К32 не более 30 минут.2.4. К32 допускает продолжительность непрерывной работы

до 8 часов.2.5. Время перерыва до повторного включения не менее 1 часа.2.6. Комплект К32 обеспечивает проведение комплексных иссле-

дований основных функциональных узлов цифровых и аналоговых устройств и микросхем.

2.7. Комплект К32 обеспечивает генерацию сигналов постоян-ного тока с величинами напряжения 5 В, +15 В, –15 В, –32 В и двух плавно изменяющихся по величине напряжений от –12 до +12 В на выходе двух генераторов напряжений ГН1 и ГН2.

2.8. Комплект К32 обеспечивает генерацию и наблюдение сиг-налов переменного тока синусоидальной, треугольной и прямо-угольной формами и частотой от 100 Гц до 1 МГц. К32 обеспечивает коммутацию и наблюдение двух сигналов переменного тока в диа-пазоне от 500 Гц до 10 кГц с возможностью изменения амплитуды каждого сигнала и фазы одного синусоидального сигнала относи-тельно другого на величину от 0 до 180°.

2.9. Комплект К32 обеспечивает генерацию 16-разрядного дво-ичного кода и его световую индикацию.

2.10. Комплект К32 обеспечивает генерацию импульсных сиг-налов, состоящих из серии импульсов, с количеством импульсов в серии от одного до пятнадцати со световой индикацией их коли-чества в двоичном коде.

2.11. Комплект К32 обеспечивает индикацию на двух четырех-разрядных цифровых табло десятичных и двоичных чисел.

2.12. Комплект обеспечивает коммутацию логических сигналов с восьми каналов на входы коммутатора комплекта с индикацией номера канала, подключенного к соответствующему входу ком-мутатора, а также вывод информации (сигналов) с исследуемого сменного устройства на цифровые табло или на осциллограф.

108

3. Устройство комплекта К323.1. Комплект состоит из блока управления (БУК*), генератора,

мультиметра (осциллографа), кассеты и набора сменных устройств (УС).

3.2. Блок управления состоит из передней панели (ПП), програм-матора серии импульсов (ПСИ), блока цифровой индикации (БЦИ), блока аналоговых сигналов (БАС), блока питания (БП).

Генератор подключается кабелем к гнезду «ВХОД ГС1» на ПП БУК.Мультиметр (или осциллограф) подключается кабелем к гнездам

«ВЫХОД V~» и «ВЫХОД V=» БУК.Вилки шнуров питания генератора и мультиметра вставляются

в гнезда «220V 50Hz» на задней панели БУК. Во входной разъем Х4 БУК вставляется печатная плата сменного устройства, помещенная в кассету.

На входной разъем Х4 БУК поступают входные и выходные сигналы. Входные сигналы генерируются программатором серии импульсов, расположенным на передней панели, и генератором Л31. Выходные сигналы генерируются на печатной плате сменного устройства, поступают на входной разъем Х4 БУК и измеряются с помощью мультиметра (или осциллографа) или индицируются на устройствах индикации, цифровые табло которых расположены в левой верхней части передней панели.

3.3. Органы управления на передней панели БУК объединены в группы согласно их функциональному назначению.

Надписи и обозначения относятся к тому органу управления, у которого они расположены.

Обозначение «А/В» у кнопок означает, что если кнопка не на-жата, то выполняется функция А, а если нажата — то выполняется функция В.

3.4. Светодиоды над кнопками служат для индикации срабаты-вания кнопок — светодиоды светятся при нажатой кнопке (кроме кнопки «ПУСК») и сигнализируют об исправности электрической цепи, которую коммутируют с помощью кнопочного переключателя.

* БУК — блок управления комплектом (экспериментальной установкой).

109

Кнопка «СЕТЬ» предназначена для подачи в электрические цепи стенда тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц (кнопка нажата) и его отключения (кнопка не нажата).

Кнопки под надписью «ПИТАНИЕ V» служат для подключения соответствующих стабилизаторов напряжения к обмоткам транс-форматора в блоке питания. Напряжение поступает на стабилизатор при нажатой кнопке. Для получения напряжения –30 В необходимо нажать соответствующую кнопку и кнопку «±15».

Кнопка «ВСв/ВнК» над гнездом «ГС1» служит для подключения гнезда «ВХОД ГС1» к входному разъему стенда или к гнезду «ГС1».

Кнопки под надписью «КОНТРОЛЬ V~» предназначены: — «ГС1» — для подключения цепи гнезда «ВХОД ГС1» к цепи

гнезда «ВЫХОД V~»; — «ГС2»  — для  подключения цепи выхода ФВ к  гнезду

«ВЫХОД V~»; — «BX1» — для подключения первого входа коммутатора к гне-

зду «ВЫХОД V~»; — «ВХ2» — для подключения второго входа коммутатора к гне-

зду «ВЫХОД V~».Кнопки под надписью «КОНТРОЛЬ V=» предназначены:

— ГН1 — для подключения выхода первого генератора посто-янного напряжения к гнезду «ВЫХОД V=»;

— ГН2 — для подключения выхода второго генератора посто-янного напряжения к гнезду «ВЫХОД V=»;

— «+5» — для подключения цепи питания 5 В входного разъема Х4 БУК к гнезду «ВЫХОД V=»;

— «+15» — для подключения цепи питания 15 В входного разъ-ема БУК к гнезду «ВЫХОД V=»;

— «–15» — для подключения цепи питания –15 В входного разъема БУК к гнезду «ВЫХОД V=»;

— «–30» — для подключения цепи питания –30 В входного разъема БУК к гнезду «ВЫХОД V=».

Гнездо «ВХОД ГС1» служит для подключения генератора.

110

Кнопка «ВХ/ВХ2» — для определения соответствующего входа коммутатора, на который подается сигнал с выбранного КПИ1– КПИ8**.

Кнопка «ВСв/ВнК» — для подключения вводов коммутатора КПИ или для подключения аналоговых сигналов, при этом при на-жатой кнопке поступают цифровые сигналы с соответствующего КПИ1–КПИ8 со входного разъема БУК, а при ненажатой кнопке — аналоговые сигналы с КПИ9 и КПИ10.

Органы управления и гнезда под надписью «КОММУТАТОР» предназначены:

— левая кнопка «ВСв/ВнК» — для подключения первого входа коммутатора к КПИ10 (кнопка не нажата) или к гнезду «ВХОД 1» (кнопка нажата);

— правая кнопка «ВСв/ВнК — для подключения второго входа коммутатора к КПИ9 (кнопка не нажата) или к гнезду «ВХОД 1» (кнопка нажата);

— гнездо «ВХОД 1» — для подачи исследуемого сигнала на пер-вый вход коммутатора;

— гнездо «ВХОД 2» — для подачи исследуемого сигнала на вто-рой вход коммутатора.

3.5. Программатор серии импульсов предназначен для генера-ции пачек импульсов от одного до пятнадцати импульсов в серии с амплитудой от 2,4 до 5 В для коммутации цифровых сигналов, поступающих с плат сменных устройств на выходы коммутатора и для генерации прямоугольных импульсов с амплитудой от 2,4 до 5 В.

3.6. Для генерации серии импульсов необходимо провести ком-мутацию органов управления на передней панели БУК в следующей последовательности:

— набрать двоичный код количества импульсов в серии нажа-тием кнопок «20», «21», «22» и «23», при этом на информационные входы интегральной схемы поступают сигналы «логический ноль» и «логическая единица» в соответствии с кодом;

** КПИ — канал прохождения импульса.

111

— нажать кнопку «ПУСК», при этом над ней начинает светиться светодиод;

— нажать кнопку «УСТАН 0», при этом светодиод перестает светиться, а программатор серии импульсов готов к работе.

3.7. Для коммутации выходных цифровых сигналов, поступаю-щих по цепям КПИ1–КПИ8, необходимо:

— нажать кнопку «ВСв/ВнК» КВУ (коммутатор внешних устройств) на передней панели, при этом на первом и пятом слева индикаторах начинает светиться запятая;

— нажатием кнопок «20», «21», «22» и «23» набрать двоичный код номера КПИ;

— нажать кнопку «ПУСК», на первом, если не нажата кнопка «ВХ1/ВХ2» КВУ, или на пятом индикаторе, если нажата кнопка «ВХ1/ВХ2» КВУ, засветится двоичный код номера КПИ, закодированный двоичным кодом посредством кнопок «20», «21», «22» и «23».

Генерация прямоугольных импульсов осуществляется генера-тором, собранным на интегральных микросхемах.

3.8. Блок цифровой индикации предназначен для  пре-образования двоичного кода информации, поступающей с печат-ных плат сменных устройств, в код семисегментных индикаторов.

БЦИ работает в двух режимах, определяемых положением кно-пок 10/2 на передней панели.

Если кнопка нажата, то на соответствующих четырех индикато-рах изображается четырехбитная двоичная информация. Каждый бит индуцируется четырьмя нижними сегментами индикатора. Если левая кнопка 10/2 отпущена, то на левых четырех индикаторах изображается десятичная информация двоичного кода. Если правая кнопка 10/2 отпущена, то на правых двух крайних индикаторах изображается десятичная информация двоичного кода.

3.9. Стабилизатор на стабилитронах служит для питания микро-схем.

3.10. Усилитель, собранный на микросхеме, служит для измене-ния амплитуды выходного напряжения фазовращателя.

3.11. Блок питания вырабатывает постоянное напряжение +5 В, +15 В, –15 В, –32 В.

112

3.12. Источники питания выполнены с защитой от короткого замыкания, в случае срабатывания которой гаснет соответствующий диод под надписью «ПИТАНИЕ». После снятия нагрузки данный источник должен восстановить свои параметры. Если этого не про-исходит, то необходимо выключить его соответствующей кнопкой и включить повторно через 2–3 минуты.

3.13. В комплекте предусмотрена блокировка питающих напря-жений, поступающих на входной разъем Х4 блока управления ком-плекта. После установки кассеты со сменным устройством в разъем Х4, необходимо завинтить винты блокировки. Напряжение контр-олировать в гнезде «ВЫХОД=» под надписью «КОНТРОЛЬ V=» при соответствующих нажатиях кнопок «+5 В», «+15 В», «–15 В», «–32 В».

4. Подготовка комплекта К32 к работе4.1. Вилки шнуров питания генератора и мультиметра (осцилло-

графа) вставить в гнезда 220V, находящиеся на задней стенке блока управления. Заземлить БУК, генератор, мультиметр (осциллограф).

4.2. Вставить кассету со сменным устройством (УС) во входной разъем на передней панели БУК и закрепить ее винтами, располо-женными с левой и с правой стороны кассеты.

4.3. Включить тумблеры «СЕТЬ».4.4. Замену сменных устройств в кассете производить следую-

щим образом: — вывинтить винты, закрепляющие кассету на передней панели

БУК, и вынуть ее из входного разъема; — вывинтить винты, закрепляющие крышку и сменное устрой-

ство, и вынуть его из кассеты; — вставить в кассету другое сменное устройство и накрыв

крышкой, закрепить его винтами.4.5. Перед проведением лабораторных работ убедиться в нали-

чии на гнезде «КОНТРОЛЬ V=» напряжений (5±0,25) В, (±15±1,5) В, (–32±1) В.

113

5. Обозначения на принципиальных схемах5.1. Н1, Н2, …, Н16 — номера кнопок программатора кодов,

например, Н1 означает первую кнопку программатора, и т. п. При нажатой кнопке на вход исследуемой схемы подается логиче-ская единица («1») непосредственно или через коммутационные дополнительные логические цепи, при ненажатой кнопке на вход исследуемой схемы поступает логический ноль («0»).

5.2. С1, С2 — сигналы, поступающие на вход исследуемой схе-мы с генератора импульсов (непрерывных прямоугольной формы) или с генератора серии импульсов (ГСИ) с количеством в серии импульсов от одного до пятнадцати. Например, если нужно на вход исследуемой схемы подать серию из пяти импульсов, необходимо нажать и отпустить кнопку «УСТАН 0», набрать на передней пане-ли на ПРОГРАММАТОРЕ СИ цифру «5» в двоичном коде (кнопки «20» и «22» нажаты) и затем нажать кнопку «ПУСК»; если нужно на вход исследуемой схемы подать всего один импульс, необходимо нажать и отпустить кнопку «УСТАН 0», набрать на передней пане-ли на ПРОГРАММАТОРЕ СИ цифру «1» в двоичном коде (нажата кнопка «20») и нажать кнопку «ПУСК», и т. д. Сигналы с генераторов поступят на входы исследуемой схемы непосредственно или через дополнительные коммутационные логические цепи.

5.3. Q1, Q2, …, Q32 — выводы информации с исследуемых схем на цифровые табло в двоичном или десятичном кодах. Цифровые табло находятся на передней панели комплекта К32.

5.4. КПИ1, КПИ2, …, КПИ10 — номера каналов прохождения импульсов. КПИ — это выходы, которые связаны с выходами ис-следуемой схемы на печатной плате. Для того чтобы подключить к мультиметру или осциллографу необходимый выход исследуемой схемы, соединенный с соответствующим номером канала, например, с шестым, нужно на передней панели под надписью КВУ (комму-татор внешних устройств) нажать кнопку ВСв/ВнК, набрать номер канала «6» в двоичном коде на ПРОГРАММАТОРЕ СИ (кнопки «22» и «21» нажаты), нажать и отпустить кнопку «УСТАН 0», затем нажать кнопку «ПУСК», при этом на экране мультиметра или осциллографа появится исследуемый сигнал. Мультиметр или осциллограф под-ключается в ВХ1 или ВХ2 (под надписью «КОНТРОЛЬ V~», в зави-

симости от положения кнопки ВХ1/ВХ2 под надписью КВУ (кнопка нажата — мультиметр подключается к ВХ2, не нажата — к ВХ1). Для подключения выхода схемы, соединенного с КПИ9 (девятый канал) необходимо, чтобы правая кнопка ВСв/ВнК под надписью «КОММУТАТОР» была не нажата, для подключения выхода схе-мы, соединенного с КПИ10 (десятый канал), соответственно, что-бы левая кнопка ВСв/ВнК под надписью «КОММУТАТОР» была не нажата.

5.5. XS1, XS2, …, XS9 — гнезда на печатных платах сменных устройств предназначены для подключения исследуемых схем к мультиметру или осциллографу.

6. Требования по технике безопасности6.1. При эксплуатации комплекта К32 необходимо соблюдать

правила технической эксплуатации электроустановок потребителей.6.2. Все работы на комплекте К32 проводить только после на-

дежного его закрепления на столе.6.3. Винты заземления на корпусах комплекта, мультиметра

и генератора соединить контуром заземления изолированными медными проводами сечением не менее 1,5 мм2 каждый.

6.4. Включение питания комплекта К32 и выполнение лабора-торных работ производить только после разрешения преподавателя.

115

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И СООТНОШЕНИЯ  АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ

Основными понятиями, которыми оперирует алгебра логики, являются понятия логической переменной и логической функции.

Логической переменной называется величина, которая может принимать одно из двух значений: «истина» и «ложь». Первое из них обозначается символом «1», другое — «0». Для обозначения этих двух единственно возможных значений применяют и другие сим-волы, например, «Да» и «Нет», и др. В общем виде сами переменные чаще обозначают символами Х1, Х2, …

В силу применения символов 1 и 0 логические переменные мож-но назвать также двоичными переменными.

Логической функцией (общее обозначение Y) называется функ-ция логических переменных (аргументов), которая также может принимать только одно из двух возможных значений: 1 или 0. Зна-чение любой логической функции от N аргументов задается для всех возможных сочетаний (наборов) логических переменных. Количе-ство всех возможных наборов из N аргументов, очевидно, равно 2N. При этом, поскольку сама функция при каждом наборе может при-нимать значение 0 или 1, то общее число возможных значений функций от N переменных равно 22N .

Множество значений, которые могут принимать как аргументы, так и функции, равно двум. Для этих двух состояний (значений) в булевой алгебре определяются:

116

— отношение эквивалентности, обозначаемое символом ра-венства (=);

— три операции:а) логического сложения (дизъюнкции), обозначаемого сим-

волом +,б) логического умножения (конъюнкции), обозначаемого сим-

волом • или &,в) логического отрицания (инверсии), обозначаемого симво-

лом X, где X — символ аргумента или функции.Предполагается, что при выполнении этих операций будут спра-

ведливы постулаты:0 + 0 = 0, 0 × 0 = 0, 0 = 1,0 + 1 = 1, 0 × 1 = 0, 1 = 0,1 + 0 = 1, 1 × 0 = 0,1 + 1 = 1, 1 × 1 = 1.На основании постулатов можно вывести следующие законы

алгебры логики:а) универсального множества:

X + 1 = 1, X · 1 = X; X · X = Xб) нулевого множества:

X + 0 = X, X · 0 = 0;в) тавтологии (правило повторения):

X + X = X, X · X = X;г) двойного отрицания:

X = X;д) дополнительности (правило отрицания):

X + X = 1, X · X = 0;е) коммутативный (переместительный):

X1 · X2 = X2 · X1,X1 + X2 = X2 + X1;

ж) ассоциативный (сочетательный):X1 · (X2 · X3) = (X1 · X2) · X3,X1 + (X2 + X3) = (X1 + X2) + X3;

з) дистрибутивный (распределительный):X1 · X2 + X3 = (X1 + X3) · (X2 + X3),(X1 + X2) · X3 = X1 · X3 + X2 · X3;

и) двойственности (законы де Моргана):

X X X X1 2 1 2� � � ,

X X X X1 2 1 2� � � ;к) абсорбции (поглощения):

X1 + X1 · X2 = X1,X1 · (X1 + X2) = X1;

л) склеивания:X1 · X2 + X1 · X2 = X1,(X1 + X2) · (X1 + X2) = X1.

Любая логическая функция Y от N двоичных переменных x1, x2, …, xN может быть задана с помощью таблицы. Такие таблицы называются таблицами истинности, содержат 2N строк, в кото-рые записываются все возможные сочетания значений аргументов, а также соответствующее значение функции.

118

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 3

Введение 4

1. Базовые элементы транзисторно‑транзисторной логики 61.1. Цифровые интегральные микросхемы (ИМС) 61.2. Логические операции 7

1.2.1. Логические функции и логические элементы И, ИЛИ, НЕ 71.2.2. Базисные логические операции Пирса и Шеффера и логические элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ 101.2.3. Элементы РАВНОЗНАЧНОСТЬ и СУММАТОР ПО МОДУЛЮ 2 13

1.3. Элементная база цифровых устройств 191.3.1. Логические уровни ТТЛ-микросхем 191.3.2. Первые логические элементы ТТЛ 211.3.3. Устройство и принцип действия логического элемента И-НЕ ТТЛ 261.3.4. Семейства ТТЛ-микросхем 301.3.5. Правила работы с ЛЭ И-НЕ ТТЛ 311.3.6. Включение внешнего резистора 321.3.7. Включение внешнего конденсатора 341.3.8. Напряжение на выводах ЛЭ 351.3.9. Соединение ЛЭ между собой 371.3.10. Логический элемент НЕ в базисе И-НЕ 40

119

1.3.11. Логический элемент И в базисе И-НЕ 411.3.12. ПОВТОРИТЕЛЬ 421.3.13. Логический элемент ИЛИ в базисе И-НЕ 431.3.14. Логический элемент ИЛИ-НЕ в базисе И-НЕ 451.3.15. Логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ  в базисе И-НЕ 46

2. Использование логических элементов для построения генераторов прямоугольных импульсов 48

2.1. Мультивибратор на инверторах 482.2. Одновибратор на логических элементах И-НЕ 502.3. Интегральный одновибратор ИМС К155АГ1 52

Лабораторная работа № 1. Исследование элементной базы цифровых логических схем и построение на их основе мультивибраторов и одновибраторов 56

3. Триггеры 603.1. RS-триггеры 623.2. Временны́е диаграммы работы RS-триггеров 673.3. Синхронные RS-триггеры 703.4. D-триггеры 743.5. D-триггеры с синхронизацией перепадом напряжений 783.6. Двухтактный RS-триггер 803.7. D-триггеры серии К155 в интегральном исполнении 813.8. T-триггеры 833.9. JK-триггер 863.10. JK-триггер серии К155 в интегральном исполнении 923.11. Триггер Шмидта 943.12. Триггеры Шмидта серии К155 в интегральном исполнении 96

Лабораторная работа № 2. Исследование триггерных устройств, выполненных на логических элементах интегральных микросхем 99

Приложение 1. Описание комплекта лабораторного оборудования по электронной технике типа К32 104

Приложение 2. Основные законы и соотношения алгебры логики 115

Подписано в печать 11.09.2018 г. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Цифровая печать. Усл. печ. л. 7,0.

Уч.-изд. л. 6,0. Тираж 50 экз. Заказ 194.

Издательство Уральского университетаРедакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ

620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4Тел.: +7 (343) 389-94-79, 350-43-28

E-mail: rio.marina.ovechkina@mail.ru

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4

Тел.: +7 (343) 358-93-06, 350-58-20, 350-90-13Факс: +7 (343) 358-93-06

http://print.urfu.ru

Учебное издание

Осадченко Валерий ХаритоновичВолкова Яна Юрьевна

Германенко Александр ВикторовичЗеленовский Павел Сергеевич

БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ

Учебно-методическое пособие

Заведующий редакцией М. А. ОвечкинаРедактор А. А. МакароваКорректор А. А. МакароваКомпьютерная верстка В. К. Матвеев

9 785799 624354